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1、化工热力学化工热力学ChemicalEngineeringThermodynamics浙江大学化学工程研究所第1章绪论热力学回顾热力学回顾学习化工热力学的目的学习化工热力学的目的“化工热力学化工热力学”课程内容课程内容实例实例热力学回顾热力学回顾热力学化学热力学化工热力学化学热力学、化工热力学的关系热力学及其应用Thermo-dynamics热与功转化规律(热力学定律)dU+热力学函数普遍化关系式：dU=TdSpdV；dH=TdSVdp；dA=SdTpdV；dG=SdTVdpTdSQrevTVSpVT212121()VVVVpdSdVTTpSSSVTSVTdVTppVTab常数模型热力学原理（
2、普遍化关系式）（1）只做体积功（2）均相封闭系统：初态是均相、终态是均相，初、终态的组成相同纯物质均相定组成混合物revWpdV应用于物性推算：易测量难测量温和条件苛刻条件纯物质混合物反映体系特征三要素适用条件化学热力学重视热力学普遍化关系状态函数间的普遍化关系式物性计算的基础采用简单的模型理想体系(理想气体ig、理想溶液is)理想气体状态方程：p=p(VT)p=RTV分子间没有相互作用力，分子体积忽略不计理想溶液模型Raoult定律、Henry定律应用范围有限，难以广泛、准确地解决工程实际问题2221112211()lnVVVRTVVVVVVVpRSVTSVTdVdVdVRTTVV热力学原理
3、原理的普适性；反映系统特征的模型模型的简单性；工程应用的局限性。化工热力学真实体系(真实气体、非理想溶液)状态方程模型、活度系数模型vanderWaalsSRKPRMartin-HouEOSp=p(V，T)如，ab是特征参数解决工程实际问题过程可行性能量有效利用平衡级分离化学平衡物性推算，体现化工热力学的实际应用，内容丰富：从容易测量性质难测量性质量从温和状态的性质苛刻条件的性质纯物质性质混合物性质局部、离散的性质系统、连续的性质模型2VabVRTP本质上是状态函数计算，即物性推算化学热力学、化工热力学的关系原理相同具有普遍性模型有别反映体系的特征解决问题的思路相似宏观性质宏观性质化学热力学更
4、注重状态函数间的普遍化关系式化工热力学更注重推算物性化学热力学、化工热力学经典热力学附：经典热力学、统计热力学经典热力学：基于宏观性质之间的普遍化关系，结合反映体系特征的模型，应用于性质推算宏观性质宏观性质统计热力学：基于分子的微观状态、相互作用能，推算宏观性质微观性质宏观性质22221112211()lnVVVaRTVbVVVVVVVbpRSVTSVTdVdVdVRTTVbVb化工热力学的作用化学工程专业最重要的课程之一，过程工程的基础化学工程专业最重要的课程之一，过程工程的基础本科生、研究生必修课程本科生、研究生必修课程推算物性数据，建立过程模型，实现全流程的优化设计和模拟仿真推算物性数据
5、，建立过程模型，实现全流程的优化设计和模拟仿真热力学三传一反化工过程开发、设计、操作、优化+化工热力学的作用冰箱、空调的工作原理如何？冰箱、空调的工作原理如何？无水乙醇价格是无水乙醇价格是95%酒精的两倍，哪一部分的成本提高了？酒精的两倍，哪一部分的成本提高了？(共沸点共沸点)植物有效成分提取，超临界流体萃取效率高？萃取剂为何常植物有效成分提取，超临界流体萃取效率高？萃取剂为何常选选CO2？(超临界液体的溶解度、临界点条件超临界液体的溶解度、临界点条件)石墨石墨金刚石？需要什么条件？金刚石？需要什么条件？使导弹的落点更准确，也需要应用热力学使导弹的落点更准确，也需要应用热力学(苛刻条件下的性质
6、苛刻条件下的性质)用过用过Aspen-Plus吗？其内核就热力学性质推算和模型，热力学吗？其内核就热力学性质推算和模型，热力学模块的计算占时达到模块的计算占时达到50%！压缩制冷循环及原理冷却冷凝器汽化器冷库冷环境0H（节流阀）（压缩机）0S吸热Q0（制冷量）输入功Ws11s23放热Q44s5ssssHHHHWQCOP12410重要指标制冷效率工质（工作物质）超临界CO2萃取技术超临界流体物性扩散系数大、粘度低密度接近于液体对固体的溶解度大超临界CO2无毒、不燃、安全条件温和，适合热敏物化学惰性对非、弱析性成份萃取效率高应用萃取无水染色化学反应的介质石墨石墨金刚石金刚石PPTTTPTPTPdP
7、PGdTTGGGdPPGdTTGGddPPGdTTGdGPTGatmKkJmolG101325.15.2980101)(115.29809.2其它条件下的下不可行在需要解决：（1）苛刻条件下性质推算；（2）难测量性质推算化工热力学的任务物性推算物性（热力学性质）平衡状态(体系的状态不随时间变化)热力学性质(p、V、T、U、S、H、U、G、A、Cp、CV)均相体系（系统）均相：各处均匀，性质相同均相封闭体系：无物质交换（组成不变，自由度=2，指定2个独立变量）均相敞开体系：有物质交换（组成变化，自由度2）非均相体系非均相体系：由若干个均相体系组成非均相封闭体系：总组成不变，各均相体系的组成在变化
8、平衡状态前，非均相封闭体系=(均相敞开体系)i平衡状态时：非均相封闭体系=(均相封闭体系)i状态函数、物性绝对值相对值（变化量）拓展拓展:初态是均相、终态是均相，初、终态的组成相同例例：水、水蒸气、纯铁，95%酒精液平衡状态时：非均相封闭体系=(均相封闭体系)i相相相相相相dnidni=0(非均相封闭体系)(两个均相敞开体系)(作为两个均相封闭体系)相平衡条件下分解均相封闭性质计算：M=M(Tpx=常数)非均相性质计算：1.解决非均相体系的相平衡2.计算平衡状态下的各个相性质化工热力学中的重要体系：1.均相封闭体系（第3章）2.均相敞开体系（第4章）3.非均相封闭体系（第5章）4.稳定流动体系
9、（第6章）均相敞开体系是相平衡的前夜均相封闭体系的性质表示均相封闭体系自由度=2，指定2个独立变量，体系状态就确定了纯物质的摩尔性质V=V（T，p）指定Tp为独立变量M=M（T，p）M=VUHGACpCVM称为从属变量T，p称为独立变量定组成混合物的摩尔性质M=M（T，p，组成=常数）独立变量数（自由度）由相律计算均相封闭体系，自由度=2均相敞开体系，自由度2根据实际需要(如容易测量)选择独立变量均相封闭体系性质的计算运用经典热力学原理原理，结合反映体系特征的模型模型，应用应用于物性计算(化工热力学“三要素”)经典热力学原理性质之间的普遍化关系式性质间桥梁普遍化关系式不能给出物性的具体值反映体
10、系特征的模型状态方程模型（描述非理想气体），p=p(VTab)理想气体等压热容模型，活度系数模型（描述非理想溶液）)(dcbaTCCigp分析独立变量、从属变量独立变量从属变量经典热力学原理建立普遍化关系式：从属变量=F(独立变量i)引入反映体系特征的模型状态方程、理想气体热等压容模型等计算物性的值均相封闭体系性质的计算步骤均相封闭体系性质计算实例计算下图纯流体单相区的焓H的变化量。体系从初态（T1，p1）变化至终态（T2，p2）反映体系特征的模型：状态方程、理想气体等压热容：11pT22pTTp2pVbRTapTigpCcdT“初态是均相，终态是均相，初、终态组成相同”属均相封闭体系变量分析
11、：自由度=2，独立变量选择T，p从属变量H=H（T，p）焓差的表达（数学恒等式）：热力学原理（普遍化关系式，先用！）引入反映体系特性的模型221122211121igigigigHTpHTpHTpHTHTpHTHTHT0()pigpVHTpHTVTdpT2121()TigigigpTHTHTCTdT2pVbRTapTigpCcdT均相封闭体系性质的计算实例普遍化关系式的推导pTTpdHTdSVdpHSVTVVTppTVdHVTdpTT定值0()pigpVHTpHTpVTdpT0()pigpVHTpHTVTdpT理想气体状态（ig）的焓与p无关均相性质计算实例21221211()lnTigigi
12、gPTTHTHTCTdTcTTdT200pPigpVRTapRTapapHHVTdpbdPbpTpTpTT221122211121222122121211lnigigigigHTpHTpHTpHTHTpHTHTHTapapTbpbpcTTdTTT求解结果（应用）推广于其它性质、采用其它模型原理有普适性；模型有局限性原理+模型（EOS，Cpig）应用于所有热力学性质的推算化工热力学内容三要素原理（第3，4章）（第6章）模型第2章（状态方程）第4章（活度系数）应用第3章，第5章第6章化工热力学均相性质均相性质纯物质定组成混合物非均相性质非均相性质纯物质混合物流动体系流动体系热力学分析热力学模拟均相封闭体均相封闭体系热力学系热力学非均相封闭非均相封闭体系热力学体系热力学流动体系的流动体系的能量平衡、熵能量平衡、熵平衡方程平衡方程模型模型EOS和i应用应用封闭体系流动体系热力学原理热力学原理均相敞开体系热力学相平衡
