《教材陈新志主编课时64学时主讲刘淑芝.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《教材陈新志主编课时64学时主讲刘淑芝.ppt（36页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、,教材：陈新志主编 课时：64学时 主讲：刘淑芝,化工热力学 Chemical Engineering Thermodynamics,第一章 绪论 关于化工热力学课程 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。 学时64。,1、热力学（Thermodynamics） 讨论热与功转化规律的科学。 远古“钻木取火”机械能转换为内能。 12世纪“火药燃烧加速箭支的飞行”。 19世纪“蒸汽机”热转换为功。 涉及到热机效率,能量利用,各种物理、化学乃至生命过程的能量转换及这些过程在指定条件下发生的可能性。,一、化工热力学的概念,
2、四大特征：,（1）严密性：表现在热力学具有严格的理论基础。 （2）完整性：是由于热力学具有热力学第一定律、热力 学第二定律、 热力学第三定律和零定律。 （3）普遍性：普遍性表现在热现象在日常生活中必不可缺少。 （4）精简性：表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题。,2.热力学的分支,（1）工程热力学（Engineerng Thermodynamics）将热力学的基本理论应用于工程技术领域，则为工程热力学。主要研究热能与机械能之间转换规律及能量利用率的高低。 特点： 制冷、发电 介质简单：水蒸气、氨、氟里昂,（2）化学热力学（Chemical Thermodynamics）应用热力学来处理热化
3、学、相平衡和化学平衡等化学领域中的问题，则形成化学热力学。 例1：利用热力学的原理能计算出在何种温度和压力条件下，由氮和氢合成氨时的最高产量，这在化肥工业上产生了重要影。,2.热力学的分支,2.热力学的分支,（3）化工热力学（Chemical Engineering Thermodynamics） 研究在化学工程中的热力学问题。具有双重特点。主要侧重于工程计算。它既能解决能量的利用问题，又能解决相际间质量传递与化学反应方向与限度等问题。 （4）统计热力学（Statistical Thermodynamics） 从微观角度出发研究过程的热现象。,工程热力学,化学热力学,化工热力学,2.热力学的分
4、支,3.化工热力学在化学工程中的地位,原料,4.化工热力学的用途,（1）可行性分析。对于新工艺、新方法，用热力学事先判断它的可行性。 C6H6+NH3 C6H5NH2 +H2 ？ H2O H2+O2 ？ G 0 N2+ H2 NH3 ？ G 0,常温、常压,常温、常压,4.化工热力学的用途,（2）能量有效利用。对于实践证明是可行的工艺进行优化。 节能：老厂改造，增效挖潜，能量的合理利用。 如美国一聚乙烯醇工厂能耗大，特别是分离工段的能耗占全厂的65%，应用热力学相平衡的成果，将进料中乙醛含量由0.7%降至0.4%后，操作费用节省50%。,4.化工热力学的用途,（3）平衡问题（特别是相平衡）。多
5、元相平衡数据是设计、生产操作和产品质量控制必不可少的，尤其是产品众多、分离要求高的石油化工更是如此。 产品分离：设备投资5090%； 能量投资6090%。 精馏塔的设计。,（4）热力学性质计算。建立化工热力学模型，用最易测得的数据（P、V、T、X）推算难测数据（H，S，G）；用少量实验数据加模型，得到过程开发中大量有用数据。, 多、快、好、省！ 世界上有105无机物，6106有机物，只有100种纯物质的热力学数据研究比较透彻。 混合物的种类更多，更有用，但非常难测。 尤其是极性物质、聚合物体系，电解质溶液。 在高压、低温下的物性数据更是当务之急。 实验费时、费力。,二、化工热力学的研究内容,“
6、原理-模型-应用”构成化工热力学研究内容的“三要素”。,原 理 第三章 流体的热力学性 第七章 相平衡 第八章 化学反应平衡,对于模型的研究和建立不是本课程的内容。 了解模型的适用范围和如何应用模型是本课程的任务。,均相封闭体 系热力学,二、化工热力学研究内容,三、热力学的研究特点,1、经典热力学的研究特点 从局部的实验数据推算系统完整的信息。 从纯物质的信息求取混合物的信息。 从容易获得的物性数据（P、V、T、X）来推算较难测定的数据（H，S，G）。 从常温常压的物性数据来推算苛刻条件下的性质。,需要模型,2、化工热力学的研究特点 （1）研究体系为实际状态 化学热力学研究的是以理想状态为主，
7、如理想气体、理想溶液；化工热力学研究的是实际状态。 在任意温度、压力下，多组分的状态,理想气体：分子间没有相互作用，分子的体积大小可以忽略。（压力极低） PV=nRT,真实气体：分子间有相互作用，分子的体积大小不能忽略 PV nRT,三、热力学的研究特点,（2）处理方法：以理想态为标准态加上校正。,化学热力学的方法,建立模型,三、热力学的研究特点,（3）获取数据的方法：少量实验数据加半经验模型 化工热力学是用少量实验数据加半经验模型，得到所需数据。尽管有误差（5%），但很实用，可以预测复杂的物性数据。,模型：运用数学式来表达物质之间相互关系。越有物理意义的模型，越准确。,三、热力学的研究特点,
8、1、经典热力学的特点之一 研究大量分子中发生的平均变化。 总结出具有普遍性的热力学基本定律。 建筑在热力学的三个基本定律之上，运用数学方法，得到宏观性质之间的依赖关系。,四、化工热力学的局限性,四、化工热力学的局限性,热力学研究方法,2、经典热力学的特点之二 不研究物质的结构； 不考虑过程的细节； 只关心平衡问题（只关心体系的初态和终）；不关心如何到达平衡。,四、化工热力学的局限性,经典热力学局限性之二： 只能解决极限问题，不能解决速率问题, 经典热力学能够给出的是必要条件而不是充分条件。 但由热力学分析可以排除不能发生反应的条件，因而节省了大量的时间和精力。,五、学习化工热力学的目的、要求,
9、1、目的 （ 两个） （1）了解化工热力学的基本内容 （2）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。,2.要求（四个） （1）要明确各章节的作用，也即解决什么问题，得出什么结论。 （2）要掌握化工热力学的研究方法。 （3）除基本理论概念外，要特别注意计算技能。 （4）作业步骤清晰，思路明确，计算基准、单位要妥当。,五、学习化工热力学的目的、要求,六、热力学基本概念,六、热力学基本概念,1、系统 定义：热力学的研究对象总是选择宇宙空间的一部分， 这一部分选定的空间即称为系统，其余部分称为环境。, 分类：三类 （1）封闭系统：与环境间无物质传递。
10、 （2）敞开系统：与环境间有物质传递。 （3）孤立系统：与环境间既无物质传递又无能量传递。,孤立系统 ！,六、热力学基本概念,2、热力学性质：如T、P、V、H、S、U等。 分类：两类。 （1）强度性质：一类与系统的尺寸（即物质量的多少） 无关的性质。如：T、P等。 （2）容量性质：与系统中物质量的多少有关的性质。 如：V、W、U、H、S等。,系统的状态是由强度性质决定的！ 摩尔性质为强度性质！,六、热力学基本概念,3、状态和状态函数 （1）状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。 （2）平衡状态：在没有外界影响的条件下，体系的宏观状态不随时间而改变，即系统与环境之间净流为零。,热平衡，力平衡，相平衡
11、，化学平衡 即温度差，压力差，化学位差均为零。,（3）状态函数：与系统状态变化的途径无关，仅取决于初态和终态的量。常用的状态函数 有P，V，T，U，H，S，A，G M状态函数,六、热力学基本概念,状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零,循环过程：,H=0，U=0，V=0，S体系= 0（当然S总0),4、过程 指体系自一平衡状态到另一平衡状态的转换 对某一过程的描写：初态终态路径 （1）不可逆过程：一个单向过程发生之后一定留下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除。,六、热力学基本概念, 如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等。,凡是自发过程过程皆是不可逆过程！,（2）可逆过程：可
12、逆过程：当体系完成某一过程后，如果令过程逆行而能使过程中所涉及的一切(体系及环境)都回复到原始状态而不留下任何变化，则此过程称为可逆过程,无限小的沙子。拿走一粒无限小的沙子，dP减少无限小，推动力无限小，可以忽略不计。,带活塞的气缸,若是可逆过程，推动力需为无限小近，体系始终无限接近平衡状态。,六、热力学基本概念, 可逆过程的特点： （1）可逆过程是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理想过程。没有摩擦，推动力无限小, 过程进行无限慢。 （2）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能量转换效果比较的标准。 若说某体系效率为80%，是指与可逆过程比。 但爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等不能
13、用“可逆过程+效率”模式来计算。,六、热力学基本概念,（3）可逆过程是效率最高的过程。 体系对外做最大功。 体系对外吸收最小功。 （4）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下推导出来 的。如：,六、热力学基本概念,（5）逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹。 （即没有功热得失及状态变化）,不可逆过程的特点： 有摩擦，过程进行有一定速度; 体系内部不均匀（有扰动，涡流等现象）; 逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹; 如果与相同始终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。,参考文献：,1 朱自强，徐汛编，化工热力学，化学工业出版社， 1991 2 J.M. Smith, (美)史密斯，化工热力学导论，第三版，化学工业出版社，1982 3 张联科主编，化工热力学，化学工业出版社，1980 4 J.M. Smith, (美)史密斯，化工热力学导论习题解答，化学工业出版社，1986 5 陈钟秀, 顾飞燕编，化工热力学例题与习题，化学工业出版社1998,