第1章_緒論-1

1、1化工(hugng)熱力學(xué) 主講(zhjing) 姜占坤化學(xué)化工學(xué)院化工系 QQ號：125028215手機三十九頁2化 工 熱 力 學(xué)第三版朱自強(z qin) 吳有庭 編著化學(xué)工業(yè)出版社2009共三十九頁3馬沛生.化工熱力學(xué)，化學(xué)工業(yè)(huxu gngy)出版社，2005 . 浙大、清華合編，朱自強主編，化工熱力學(xué). 化學(xué)工業(yè)出版社參 考 書共三十九頁4共三十九頁5共三十九頁6 1 緒論 1. 化工熱力學(xué)在課程鏈上的位置 2. 熱力學(xué)發(fā)展簡史 3. 熱力學(xué)的特性和分支 4. 化工熱力學(xué)在化學(xué)工程中的地位(dwi) 5. 化工熱力學(xué)的基本內(nèi)容 共三十九頁7 1 化工熱

2、力學(xué)在課程鏈上的位置 基礎(chǔ)課： 高等數(shù)學(xué)、外語、大學(xué)物理、無機化學(xué)、有機化學(xué)分析化學(xué)、生物化學(xué)、化工制圖、物理化學(xué)等。 化學(xué)熱力學(xué) 化學(xué)動力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課：化工原理、化工熱力學(xué).化學(xué)反應(yīng)工程、化工分離工程等。共三十九頁8 2. 熱力學(xué)發(fā)展簡史 熱現(xiàn)象是人類最早接觸到的自然現(xiàn)象之一 遠古時代 鉆木取火四大發(fā)明19世紀(jì)，把生產(chǎn)實踐和實驗結(jié)果提到(t do)理論的高度，確立了關(guān)于能量轉(zhuǎn)化和守恒的熱力學(xué)第一定律以及關(guān)于熱效率的熱力學(xué)的第二定律。共三十九頁92. 熱力學(xué)發(fā)展(fzhn)簡史 熱力學(xué)是研究能量、能量轉(zhuǎn)換以及與能量轉(zhuǎn)換有關(guān)的物性間相互關(guān)系的科學(xué)。 熱力學(xué)(thermodynamics)一詞的意

3、思是熱(thermo)和動力(dynamics)，既由熱產(chǎn)生動力，反映了熱力學(xué)起源于對熱機的研究。 從十八世紀(jì)末到十九世紀(jì)初開始，隨著蒸汽機在生產(chǎn)中的廣泛使用，如何充分利用熱能來推動機器(j q)作功成為重要的研究課題。 共三十九頁102. 熱力學(xué)發(fā)展(fzhn)簡史 1824年，法國陸軍工程師Nicholas Lonard Sadi Carnot發(fā)表了“關(guān)于火的動力研究(ynji)”的論文。 他通過對自己構(gòu)想的理想熱機的分析得出結(jié)論：熱機必須在兩個熱源之間工作，理想熱機的效率只取決于兩個熱源的溫度，工作在兩個一定溫度熱源之間的所有熱機，其效率都不會超過可逆熱機，在理想狀態(tài)下也不可能達到百分之

4、百。這就是卡諾定理。 Carnot(1796 - 1832)共三十九頁11 1847年， 德國物理學(xué)家和生物學(xué)家 Hermann Ludwig von Helmholtz (1821 - 1894) 發(fā)表了 “ 論力的守衡” 一文，全面論證(lnzhng)了能量守衡和轉(zhuǎn)化定律。 Helmholtz(1821 - 1894) 2. 熱力學(xué)發(fā)展(fzhn)簡史共三十九頁122. 熱力學(xué)發(fā)展(fzhn)簡史 1843-1848年， 英國釀酒商 James Prescott Joule (1818 - 1889) 以確鑿無疑的定量實驗結(jié)果為基礎(chǔ)，論述了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。焦耳的熱功當(dāng)量實驗是熱力學(xué)第一

5、定律的實驗基礎(chǔ)。 Joule (1818 - 1889) 共三十九頁132. 熱力學(xué)發(fā)展(fzhn)簡史1850年，德國物理學(xué)家Rudolf J. Clausius (1822 - 1888) 進一步研究了熱力學(xué)第一定律和克拉佩隆轉(zhuǎn)述的卡諾原理，發(fā)現(xiàn)二者并不矛盾。他指出，熱不可能獨自地、不付任何代價(diji)地從冷物體轉(zhuǎn)向熱物體，并將這個結(jié)論稱為熱力學(xué)第二定律?？藙隈闼乖?854年給出了熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達式， 1865年提出“墑”的概念。 Clausius (1822 - 1888) 共三十九頁142. 熱力學(xué)發(fā)展(fzhn)簡史 1851年，英國物理學(xué)家 Lord Kelvin (1

6、824-l907)指出，不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。 這是熱力學(xué)第二定律的另一種說法。 1853年，他把能量轉(zhuǎn)化與物系的內(nèi)能(ni nn)聯(lián)系起來，給出了熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達式。共三十九頁152. 熱力學(xué)發(fā)展(fzhn)簡史 1875年，美國耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)物理學(xué)教授 Josiah Willard Gibbs發(fā)表了 “論多相物質(zhì)之平衡” 的論文。他在熵函數(shù)的基礎(chǔ)上，引出了平衡的判據(jù)；提出熱力學(xué)勢的重要(zhngyo)概念，用以處理多組分的多相平衡問題；導(dǎo)出相律，得到一般條件下多相平衡的規(guī)律。吉布斯的工作，把熱力學(xué)和化學(xué)在理論上緊密結(jié)合起來，奠定了化學(xué)熱力學(xué)的重要基礎(chǔ)

7、。 Gibbs (1839 - 1903) 共三十九頁16化學(xué)熱力學(xué)主要(zhyo)討論熱化學(xué)、相平衡和化學(xué)平衡理論。工程熱力學(xué)主要研究熱能動力裝置中工作介質(zhì)的基本熱力學(xué)性質(zhì)、各種裝置的工作過程以及提高能量轉(zhuǎn)化效率的途徑?；崃W(xué)是以化學(xué)熱力學(xué)和工程熱力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合化工實際過程逐步形成的學(xué)科熱工轉(zhuǎn)換、化學(xué)及相平衡。2. 熱力學(xué)發(fā)展(fzhn)簡史共三十九頁17 3.1 熱力學(xué)及其特性 熱力學(xué)主要是研究(ynji)熱現(xiàn)象和能量轉(zhuǎn)換的。嚴(yán)密性 完整性 普遍性 精簡性 共三十九頁18嚴(yán)密性 表現(xiàn)在熱力學(xué)具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)。熱力學(xué)證明是可以行通的事情，在實際當(dāng)中才能夠行的通；熱力學(xué)證明是不可行的事

8、情，在實際當(dāng)中無論采用(ciyng)什么措施，也實施不了。 3.1 熱力學(xué)及其特性(txng) 共三十九頁19 完整性 完整性是由于熱力學(xué)具有 熱力學(xué)第一定律 能量(nngling)守恒定律 第二定律 熵增原理、熱效率 第三定律 絕對熵定律 第零定律 熱平衡定律 這四大定律使熱力學(xué)成為一門邏輯性強而完整的科學(xué)。 3.1 熱力學(xué)及其特性(txng) 共三十九頁20普遍性 表現(xiàn)在熱現(xiàn)象在日常生活中是必不可缺少的。熱力學(xué)的基本定律、基本理論，不但能夠解決實際生產(chǎn)中的問題(wnt)，還能夠解決日常生活中的問題(wnt)，甚至用于宇宙問題(wnt)的研究。精簡性 表現(xiàn)在熱力學(xué)能夠定性、定量地解決實際問題

9、。 3.1 熱力學(xué)及其特性(txng) 共三十九頁21 1 緒論 1. 化工熱力學(xué)在課程鏈上的位置 2. 化工熱力學(xué)發(fā)展簡史 3. 化工熱力學(xué)的特性和分支 4. 化工熱力學(xué)在化學(xué)工程中的地位 5. 化工熱力學(xué)的基本(jbn)內(nèi)容 共三十九頁224. 化工(hugng)熱力學(xué)在化學(xué)工程中的地位 4.1 過程工業(yè)與過程工程 4.2 化工熱力學(xué)與其他化學(xué)工程分支學(xué)科的關(guān)系 共三十九頁234.1 過程工業(yè)與過程工程(gngchng) 制造業(yè) 過程工業(yè) 機電工業(yè)（或產(chǎn)品生產(chǎn)工業(yè)） 化學(xué)工程 過程工程 Process Engineering 4. 化工(hugng)熱力學(xué)在化學(xué)工程中的地位共三十九頁24

10、4. 化工熱力學(xué)在化學(xué)工程中的地位 4.2 化工熱力學(xué)與其他化學(xué)工程分支學(xué)科的關(guān)系 化工過程示意圖 原料 反應(yīng) 分離提純(tchn) 產(chǎn)品 反應(yīng)工程 分離工程 化學(xué)動力學(xué) 催化劑工程 化工熱力學(xué) 化學(xué)工藝學(xué) 共三十九頁25導(dǎo)熱系數(shù)計算密度計算焓的計算粘度計算表面張力計算第一級物性常數(shù)和熱力學(xué)性質(zhì)計算1相平衡 計算化學(xué)反應(yīng)平衡計算物料平衡計算熱平衡計算泡點露點計算第二級平衡計算化工熱力學(xué)2反應(yīng)速度計算傳質(zhì)計算傳熱計算流體力學(xué)計算第三級 傳遞和反應(yīng)工程 學(xué)3 第六級過程開發(fā)工藝學(xué)與系統(tǒng)工程學(xué)全流程的最佳化設(shè)計和控制6吸收塔計算反應(yīng)器計算換熱器計算蒸餾塔計算第四級 設(shè)備設(shè)計設(shè)備模型化4第五級流程配置

11、化工模擬系統(tǒng)吸收系統(tǒng)模擬反應(yīng)系統(tǒng)模擬蒸餾系統(tǒng)模擬5 4.2化工熱力學(xué)和其他(qt)化學(xué)工程分支學(xué)科間的關(guān)系共三十九頁26 可見(kjin)化工熱力學(xué)是化學(xué)工程學(xué)科的基礎(chǔ)，是由上圖的第一二級構(gòu)成的，像高層建筑的基石，缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和平衡計算的高層次學(xué)科是無法工作的。4. 化工熱力學(xué)在化學(xué)工程(hu xu n chn)中的地位共三十九頁27 5 .化工(hugng)熱力學(xué)的基本內(nèi)容 化學(xué)工程師的工作中，常涉及到下面四類問題: (1)進行過程的能量及物料衡算 (2)判斷過程進行的方向和限度 (3)研究化工過程能量的有效利用 (4)熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)的研究 共三十九頁28 (1)進行過程的物料、能量衡

12、算 物料衡算與建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上的能量衡算是所有化工工藝設(shè)計的基礎(chǔ)。 進、出設(shè)備每股物料的數(shù)量、組成、溫度、壓力，從而求得設(shè)備中的傳熱量(rling)、傳質(zhì)量或反應(yīng)量。 確定生產(chǎn)過程中所需設(shè)備的尺寸和臺數(shù) （如換熱面積等） 5 .化工熱力學(xué)的基本(jbn)內(nèi)容 共三十九頁29 (2)判斷過程進行的方向和限度(xind) 建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的一些熱力學(xué)函（S、.G等）是判定過程進行方向與限度、確定平衡狀態(tài)的依據(jù)。 在化工單元操作及反應(yīng)器設(shè)計中，平衡狀態(tài)的確定、平衡組成的計算、多組元相平衡數(shù)據(jù)的求取均是不可少的內(nèi)容。 5 .化工(hugng)熱力學(xué)的基本內(nèi)容 共三十九頁30 (3)

13、 研究化工過程能量的有效利用 化工生產(chǎn)要消耗大量的能源。石油(shyu)、天然氣、煤是化學(xué)工業(yè)的燃料，也是化工產(chǎn)品的的原料。 利用熱力學(xué)的原理，對化工過程進行熱力學(xué)分析，是熱力學(xué)近30年來最重要的進展。計算各種熱力過程的理想工、損耗工、有效能等，找出應(yīng)能節(jié)能沒有被利用而造成損失的薄弱環(huán)節(jié)和設(shè)備，然后采取措施，達到節(jié)能的目的。對于評定新的設(shè)計方案和改進現(xiàn)有生產(chǎn)都是有效的手段。5 .化工(hugng)熱力學(xué)的基本內(nèi)容 共三十九頁315 .化工熱力學(xué)的基本內(nèi)容 (3) 研究(ynji)化工過程能量的有效利用 近來，能源緊張已引起人們(rn men)的重視，因此在流程確定，設(shè)備設(shè)計，工藝條件的選擇以節(jié)

14、能為目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化，為節(jié)能不惜設(shè)備投資(如增加設(shè)備等)。 例1：典型的石油氣順序深冷分離，能量消耗較大，經(jīng)過全面分析和研究，采用原料分段預(yù)冷進料、中間再沸器和其他措施，對相同規(guī)模的石油氣分離裝置可節(jié)能25%。 共三十九頁32 (3) 研究化工過程能量的有效利用 例2：最杰出和典型(dinxng)的節(jié)能化工過程是化肥廠的合成氨工藝，噸氨能耗大大降低。其在過程中采取了一系列的節(jié)能措施，如蒸汽梯級利用網(wǎng)絡(luò)、吹風(fēng)氣回收裝置、熱泵（Heat Pump）系統(tǒng)、 熱-電裝置等。 因此，有人認(rèn)為，凡是有能量交換的地方，就有熱力學(xué)問題。這里的能量交換包括熱、功、動能、位能和化學(xué)能（化學(xué)反應(yīng)）等的交換。 5 .

15、化工(hugng)熱力學(xué)的基本內(nèi)容 共三十九頁33 (4)熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)的研究 上述三個問題的解決離不開熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)。 但是，熱力學(xué)的有效應(yīng)用（如過程模擬與放大），往往(wngwng)由于缺乏熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)而發(fā)生困難。根據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)有十萬種以上的無機化合物和近六百萬種有機化合物而熱力學(xué)性質(zhì)已研究得十分透徹的元素和化合物卻只一百種左右。 物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的計算、氣體狀態(tài)方程的研究、普遍化方法求算熱力學(xué)函數(shù)5 .化工熱力學(xué)的基本(jbn)內(nèi)容 共三十九頁34目前，特別是對于混合物的數(shù)據(jù)更缺少，而需要又十分迫切，因此，混合物的熱力學(xué)性質(zhì)的研究和計算，目前已成為化工熱力學(xué)的主攻方向之一。從覆

16、蓋面來講在深度(shnd)和廣度上都已覆蓋了傳統(tǒng)的各個領(lǐng)域。 (4)熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性(w xn)數(shù)據(jù)的研究共三十九頁35 1、除了繼續(xù)進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測定外，建立具有可靠理論基礎(chǔ)的狀態(tài)方程是相當(dāng)活躍的領(lǐng)域。要求方程適用于極性物質(zhì)、含氫鍵物質(zhì)和高分子化合物，并能同時用于氣相、液相和臨界區(qū)域。 2、非常見物質(zhì)的汽液平衡、液液平衡和固液平衡，以及與超臨界流體萃取新技術(shù)有關(guān)的汽液平衡和固液平衡，與氣體吸收、濕法冶金和海洋能源開發(fā)有關(guān)的電解質(zhì)溶液的研究及高分子系統(tǒng)(xtng)、吸附和界面現(xiàn)象等，吸引了許多人的興趣。（5）化工(hugng)熱力學(xué)的發(fā)展展望共三十九頁36 3、由于非平衡態(tài)熱力學(xué)理論的發(fā)展，開

17、始打破(d p)經(jīng)典熱力學(xué)不涉及過程速率的局限性 4、化工生產(chǎn)與資源、能源、環(huán)境和生態(tài)問題的密切關(guān)聯(lián)，為化工過程的熱力學(xué)分析理論提出了一系列新的研究和應(yīng)用課題-。 可以預(yù)見，這些發(fā)展都將對人類社會的進步產(chǎn)生十分積極的影響。 （5）化工(hugng)熱力學(xué)的發(fā)展展望共三十九頁37 小 結(jié) 化工熱力學(xué)著重研究熱力學(xué)函數(shù)在工程中的應(yīng)用。用熱力學(xué)函數(shù)（P、V、T、H、S、G等）分析某些化工過程實際上的效率問題，即達到平衡的條件(tiojin)、狀態(tài)。 “焓焓”糊糊“熵”腦筋 共三十九頁38結(jié)合所采用的教材，有： 熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)的研究 P、V、T、H、S、G、f、 第2、3、4、7章 解決化工過程所需的熱、功及其傳遞(chund)方向，解 決能量合理利用問題 第5、6章 解決相平衡、化學(xué)平衡的狀態(tài)，確定質(zhì)量傳遞 方向和限度 第8、9章