化工热力学绪论

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1、中秋节快乐,黄河石林：位于甘肃省景泰县内生成于400万年前的新生代第四纪早更新世，由于地壳运动、风化、雨蚀等地质作用，形成了以黄色砂砾岩为主的造型千姿百态的石林地貌奇观。,化工热力学 Chemical Engineering Thermodynamics,欢迎同学们和我一起共同学习和探讨,河北科技大学,3,4,李 青，理学博士 毕业于 中国科学院化学研究所,有机纳米光电材料,教师介绍,兴趣爱好：看英文书，爬山，音乐,5,最大的优点：适应能力强,主要 研究 方向,光电催化材料,荧光材料,有时一想，上课跟睡觉也是一样一样的：眼睛一闭一睁，一堂课就过去了；眼睛一闭不睁，一上午就过去了；人生最痛苦的事

2、你知道是什么吗？ 是下课了，但人没醒。 人生最最痛苦的事你知道是什么吗？ 是人醒了，但没下课；,6,要 求,1、转变思想：变被动学习为主动学习1) 学习态度-人生目标2) 学习方法-学习目的 2、创新思想1) 创新思维-2) 创新方法-,上大学就像坐火车，名牌大学是软卧，普通本科是硬卧，专科硬座，民办就是站票了，成教的只能挤厕所虽然路途享受的待遇不同，但是到了终点站以后大家一样都得下车，下了车去找工作，这时才发现，其实老板不关心你怎么来的，只关心你会干什么。,7,关于考试,期末考试约占80% 作业（一周一次）、考勤、平时占20%,课程性质：专业必修课,8,关于化工热力学课程,化工热力学课程是化

3、学工程专业最重要的课程之一。 是国内外化学工程专业本科生（化工热力学I）和研究生（化工热力学II）必修课程。 是一门训练逻辑思维和演绎能力的课程。 是一门培养节约资源、合理利用能源观点的课程。 化工热力学是“焓焓”糊糊、“熵”脑筋的课程。 学时48。,9,化工热力学在课程链上的位置,10,11,Why?,1、冰箱的工作原理与空调是否相同？夏天打开冰箱门是否能当空调？ 2、空调与取暖器哪个更省电？ 3、注射青霉素过敏的原因是什么？怎样去除青霉素中的杂质？ 4、假酒为何会喝死人？怎样去除酒精中的甲醇？ 5、为什么无水酒精的价格是95%酒精的二倍？主要是哪一部分的成本提高了？,12,Why?,5、液

4、化石油气的主要成分为何是丙烷、丁烷和少量的戊烷而不是甲烷或己烷？ 6、为何从天然植物中提取香精、色素等有效成分常用超临界萃取技术？萃取剂为何常选CO2？ 7、酸雨对大理石雕像是否有害？ 8、 10kg/cm2的水蒸气能否推动汽轮机？,12,Why?,9、石墨如何变成金刚石？H2O在什么温度压力下能分解出H2和O2？N2和H2在什么温度压力下才能合成出NH3 ？ 10、精馏塔的设计主要依据是什么？ 11、为什么要节能？如何节能？依据是什么？,全世界不可再生化石燃料的消耗占90%。 中国50%的能源需要进口。 中国人均能源消费不到世界平均水平的50% 。 中国的能源利用率仅是世界平均水平的50%

5、。 化工是耗能大户，仅次于冶金。,13,新能源可燃冰,1M3“可燃冰”释放出的能量相当于164M3的天然气。 全球“可燃冰”总能量，是所有煤、石油、天然气总和的23倍。 “可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子(CH4H2O)。 勘探需要知道：在海底下，何种温度、压力下会形成“可燃冰”？ 热力学能解决！,14,湿空气作为热力循环的工作介质,近10年来的实际应用已经证明，如果在空气中加入1015%水蒸气，可以提高透平1020%的效率 。 需要研究该体系高温高压下的热力学性质！,二氧化碳减排的紧迫性,全球气候转暖，导致南北极冰山融化，海平面已上升10到25厘米 ） 二氧化碳地质减排 CO2-H2O体系

6、CO2-NaCl-H2O体系 CO2-NaCl-KCl-H2O体系 CO2-多元电解质-H2O体系,15,第 1 章 绪 论,本章主要内容,简要发展史 化工热力学的主要内容 化工热力学研究方法及其发展 化工热力学的重要性,热力学发展史,热力学的研究是从人类对热的认识开始的。 1593年，伽利略制出了第一支温度计，使热学研究开始定量。带动了与物质热性质有关的研究，如相变温度（熔点、沸点等）、相变热、热膨胀等。 直到1784年，有了比热的概念，才从概念上把“温度”与“热”区分开。 热的学说 热质说：认为热是一种无重量的物质。 热动说：热不是一种物质，而是一种运动形态，即热是由物体内部运动激发起来的

7、一种能量。 18世纪末至19世纪中叶多人分别用实验证明热动说。,热力学基本定律,热力学第一定律热力学第二定律热力学第三定律 1913年Nernst补充了关于绝对零度的定律，称为热力学第三定律 热力学第零定律 1931年Fouler补充了关于温度定义的定律,1824年，法国陆军工程师Nicholas Lonard Sadi Carnot 发表了 “ 关于火的动力研究” 的论文。 他通过对自己构想的理想热机的分析得出结论：热机必须在两个热源之间工作，理想热机的效率只取决与两个热源的温度，工作在两个一定热源之间的所有热机，其效率都超不过可逆热机，热机在理想状态下也不可能达到百分之百。这就是卡诺定理。

8、（热功当量）,Carnot (1796 - 1832),1847年， 德国物理学家和生物学家 Hermann Ludwig von Helmholtz 发表了 “ 论力的守衡” 一文，全面论证了能量守恒和转化定律。,Helmholtz (1821 - 1894),1843-1848年， 英国酿酒商 James Prescott Joule (1818 - 1889) 以确凿无疑的定量实验结果为基础，论述了能量守恒和转化定律。焦耳的热功当量实验是热力学第一定律的实验基础。,Joule (1818 - 1889),热力学第一定律,从十八世纪末到十九世纪初开始，蒸汽机的发明及使用范围扩大，从工业应用

9、上提出了热与功转换问题。如何充分利用热能来推动机器作功成为重要的研究课题。 1738年Bernolli（伯努利）的机械能守恒定律提出了第一个能量守恒的实例。阐述了能量相互转化及守恒的思想。 1824年出现了第一个热功当量（卡诺） 1847年， Helmholtz 全面论证了能量守衡和转化定律。 Joule（焦耳）反复测定了热功当量。 多位科学家独立地提出了热力学第一定律，该定律也彻底否定了热质说。,根据热力学第一定律热功可以按当量转化，而根据卡诺原理热却不能全部变为功，当时不少人认为二者之间存在着根本性的矛盾。1850年，德国物理学家Rudolf J. Clausius 进一步研究热力学第一定

10、律和卡诺原理，发现二者并不矛盾。他指出，热不可能独自地、不付任何代价地从冷物体转向热物体，并将这个结论称为热力学第二定律。 Clausius在1854年给出了热力学第二定律的数学表达式， 1865年提出“熵”的概念。,Clausius (1822 - 1888),1851年，英国物理学家 Lord Kelvin (1824-l907)指出，不可能从单一热源取热使之完全变为有用功而不产生其他影响。 这是热力学第二定律的另一种说法。 1853年，他把能量转化与物系的内能联系起来，给出了热力学第二定律的数学表达式。,“热力学”课程的发展,“热力学”（Thermodynamic） 既由热产生动力，反映

11、了热力学起源于对热机的研究。本身就是把热与力结合起来的，这也说明时代需要研究机械运动、热、电等各种现象的普遍联系及其定量规律 。 从热力学发展的初期，所讨论的只是热、机械能和功之间的互换规律，对热机效率的提高有很好的指导作用，也促进了工业革命的发展。,1875年，美国耶鲁大学数学物理学教授 Josiah Willard Gibbs发表了 “论多相物质之平衡” 的论文。他在熵函数的基础上，引出了平衡的判据；提出热力学势的重要概念，用以处理多组分的多相平衡问题；导出相律，得到一般条件下多相平衡的规律。吉布斯的工作，把热力学和化学在理论上紧密结合起来，奠定了化学热力学的重要基础。,Gibbs (18

12、39 - 1903),一般热力学与机械工程结合 讨论能量转换规律，并结合锅炉、蒸汽机、汽轮机、喷管、压缩机、冷冻机等得出一系列的定量关系 。 热力学与化学的结合 在热力学内容中补充化合物众多及化学变化的特点，又增加了气液溶液及化学反应的内容。 热力学与化学工程相结合 主要侧重于工程计算。它既能解决能量的利用问题又强调了组成变化的规律，要确定反应物与产物的化学平衡组成规律，更要解决各种相平衡问题，即各相组成分布的规律。,工程热力学,化学热力学,化工热力学,化工热力学主要内容,热力学基本原理和理论,热力学应用,热力学模型,热力学基本定律,热力学函数及关系,热力学基本概念,流体 p V T关系,活度

13、系数方程,能量应用,组成关系应用,化学反应平衡,相平衡,流动体系能量计算,压缩冷冻过程能量分析,化工数据,包括热力学基本数据和传递性质数据，离开化工数据就无法进行化工热力学计算,热力学的研究方法,经典热力学 不研究物质结构，不考虑过程机理，只从宏观角度研究大量分子组成的系统，系统达到平衡时所表现出的宏观性质。 分子热力学 从微观角度应用统计的方法，研究大量粒子群的特性，将宏观性质看作是相应微观量的统计平均值。 应用统计力学的方法通过理论模型预测宏观性质。在化工热力学的发展过程中，起着越来越重要的作用 由于分子结构十分复杂，分子内作用力和分子间作用力都要考虑，目前统计力学只能处理比较简单的情况，

14、所得的结论基本上是近似的。,经典热力学研究方法,以实验数据作为基础，利用热力学函数和物质状态之间的关系进行宏观性质的关联，从某些宏观性质推算另一些性质。,pVT的实验数据或关联式,焓、熵的变化计算,相平衡浓度计算,利用抽象的、概括的、理想的方法来处理问题，当用于实际时，加以修正。如：理想气体 pV=RT 实际气体 pV=ZRT剩余性质 MR=M-M*=实际的-理想气体超额性质 ME=M-Mid=实际的-理想混合物 修正项：Z，MR，ME,化工热力学发展,一是发展新的计算方法，解决摩尔质量较大结合物的热力学计算，也就是从主要解决“石油化工”产品的热力学转变为到能广泛计算精细化学品的热力学，从而大

15、大扩充热力学在化工中的使用范围，此项工作刚开始； 二是把热力学扩充到化学工业之外，最典型的是发展环境热力学，以解决环境中的化学品污染问题，也为发展化学工业时打破环境限制做出贡献。,化工热力学在化工中的重要性,化工热力学是一门定性的科学，更是一门定量的科学。 在定性方面，它可指导改进工艺参数，指引温度、压力宜高还是低，物料配比宜多还是少，反应或分离是否可能。 在化工计算或设计中，主要可分为物料衡算、热量衡算和设备计算，在这些计算中，化工热力学方法都是为定量计算所不可或缺的。 化工热力学是化学工程和化学工艺的基石之一，离开化工热力学就没有定量的化学工程和现代的化学工艺。 化学工业要发展，要克服化学

16、品对环境的制约，在解决此难题是，化工热力学也将起重大作用。,物料衡算：确定物料量及组成 化学平衡：反应中的反应物、产物物料计算 相平衡：分离操作，必需由相平衡计算确定量和组成的 热量衡算 确定换热器及反应器的热负荷，需要不同温度、压力下的焓变 有化学反应时还要计算反应热 在冷冻操作中，由热力学计算决定热功转换关系。 设备计算： 反应器体积计算利用流体的pVT关系 热负荷是计算换热器尺寸决定因素之一 各种分离操作的设备计算离不开相平衡计算,化工热力学局限性,平衡热力学只涉及过程进行的极限，不涉及速度，因此一定要有其他学科配合来最后解决许多化工问题。,学习化工热力学的目的,了解化工热力学的基本内容 提高利用化工热力学的观点、方法来分析、解决化工生产、工程设计、科学研究中有关实际问题的能力。,正确理解化工热力学的有关基本概念和理论； 理解各个概念之间的联系和应用； 掌握化工热力学的基本计算方法； 能理论联系实际，灵活分析和解决实际化工生产和设计中的有关涉及平衡和能量的问题。 能利用热力学原理，掌握环境热力学基本方法。,