化工熱力學(xué)第1章 緒論36G

第一章緒論2023/1/311第一章緒論本章主要內(nèi)容1.1熱力學(xué)發(fā)展史1.2熱力學(xué)特性及研究方法1.3化工熱力學(xué)的地位及作用1.4化工熱力學(xué)的基本內(nèi)容1.5本課程內(nèi)容及要求2023/1/312第一章緒論遠(yuǎn)古時(shí)代的鉆木取火12、13世紀(jì)：中國(guó)的火藥與土火箭人們對(duì)熱的認(rèn)識(shí)，最初認(rèn)為熱是物質(zhì)-熱質(zhì)。但無(wú)法解釋摩擦生熱。十七世紀(jì)末，隨著溫度計(jì)制造技術(shù)的成熟，知道如何精確測(cè)量溫度后，才開啟熱力學(xué)的研究2023/1/313第一章緒論1.1熱力學(xué)發(fā)展史1.1.1什么是“熱”？熱現(xiàn)象是人們最早接觸到的自然現(xiàn)象之一熱力學(xué)定義：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)物性間相互關(guān)系的科學(xué)原始含義：熱功相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律由熱產(chǎn)生動(dòng)力，反映了熱力學(xué)起源于對(duì)熱機(jī)的研究。從十八世紀(jì)末到十九世紀(jì)初開始，隨著蒸汽機(jī)在生產(chǎn)中的廣泛使用，如何充分利用熱能來(lái)推動(dòng)機(jī)械作功成為重要的研究課題。2023/1/314第一章緒論1.1熱力學(xué)發(fā)展史1.1.2歷史上為何稱為“熱力學(xué)”？熱力學(xué)(thermodynamics)：熱(thermo)+動(dòng)力(dynamics）2023/1/315第一章緒論“火力提水”薩弗里制成的世界上第一臺(tái)實(shí)用的蒸汽提水機(jī),兩個(gè)蛋形容器交替工作，依靠真空的吸力汲水。缺點(diǎn)：汲水深度不超過(guò)6米1.1熱力學(xué)發(fā)展史1.1.2歷史上為何稱為“熱力學(xué)”？2023/1/316第一章緒論紐科門及其助手卡利在1705年發(fā)明了大氣式蒸汽機(jī)，用以驅(qū)動(dòng)獨(dú)立的提水泵，被稱為紐科門大氣式蒸汽機(jī)。但熱效率很低。NewcomenEngineSteam

1.1熱力學(xué)發(fā)展史1.1.2歷史上為何稱為“熱力學(xué)”？2023/1/317第一章緒論Wattsteamengine1764年，英國(guó)的儀器修理工瓦特為格拉斯哥大學(xué)修理紐科門蒸汽機(jī)模型時(shí)，注意到其缺點(diǎn)，并于1765年發(fā)明了設(shè)有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸汽機(jī)。熱效率成倍提高，煤耗下降。

使得蒸汽機(jī)被廣泛應(yīng)用。1.1熱力學(xué)發(fā)展史1.1.2歷史上為何稱為“熱力學(xué)”？2023/1/318第一章緒論1824年卡諾發(fā)表了《談火的動(dòng)力和能發(fā)動(dòng)這種動(dòng)力的機(jī)器》，文中提出了“卡諾循環(huán)”熱力學(xué)發(fā)展史上奠基的文章法國(guó)物理學(xué)家卡諾（NicolasLeonardSadiCarnot）（1796～1823）1.1熱力學(xué)發(fā)展史1.1.2歷史上為何稱為“熱力學(xué)”？2023/1/319第一章緒論熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律有著極其密切的關(guān)系將能量守恒定律應(yīng)用到熱力學(xué)上，就是熱力學(xué)第一定律1.1熱力學(xué)發(fā)展史1.1.3能量守恒與轉(zhuǎn)化定律發(fā)展史2023/1/31101.1化工熱力學(xué)發(fā)展史1.1.4能量守恒與轉(zhuǎn)化定律發(fā)展史第一章緒論德國(guó)物理學(xué)家、醫(yī)生邁爾（JuliusRobertMayer，1814～1878）

1840年2月到1841年2月作為船醫(yī)遠(yuǎn)航到印度尼西亞。他從船員靜脈血的顏色的不同，發(fā)現(xiàn)體力和體熱來(lái)源于食物中所含的化學(xué)能，提出如果動(dòng)物體能的輸入同支出是平衡的，所有這些形式的能在量上就必定守恒。1842年他發(fā)表了《論無(wú)機(jī)性質(zhì)的力》的論文，表述了物理、化學(xué)過(guò)程中各種力（能）的轉(zhuǎn)化和守恒的思想。歷史上第一個(gè)提出能量守恒定律并計(jì)算出熱功當(dāng)量的人2023/1/3111第一章緒論英國(guó)物理學(xué)家焦耳JamesPrescortJoule,（1818～1889）通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出“熱功當(dāng)量是一個(gè)普適常量，與做功方式無(wú)關(guān)”。德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲（HermannvonHelmholtz,1821～1894）1847年，發(fā)表《論力的守恒》，第一次系統(tǒng)地闡述了能量守恒原理1.1化工熱力學(xué)發(fā)展史1.1.4能量守恒與轉(zhuǎn)化定律發(fā)展史2023/1/3112第一章緒論熱力學(xué)第二定律是在能量守恒定律建立之后，在探討熱力學(xué)的宏觀過(guò)程而得出的一個(gè)重要的結(jié)論。

1.1熱力學(xué)發(fā)展史1.1.4熱力學(xué)第二定律發(fā)展史2023/1/3113第一章緒論克拉派?。˙enoitPaulEmileClapeyron,1799-1864）

發(fā)表題為《論熱的動(dòng)力》的論文，用P－V曲線翻譯了卡諾循環(huán)英國(guó)物理學(xué)家開爾文（LordKelvin，1824-1907）

1851年開爾文從熱功轉(zhuǎn)換的角度提出了熱力學(xué)第二定律的另一種說(shuō)法，首次提出了熵的概念1.1化工熱力學(xué)發(fā)展史1.1.4熱力學(xué)第二定律發(fā)展史德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯（RudolphJuliusEmmanuelClausius,1822-1888）1850年克勞修斯從熱量傳遞的方向性角度提出了熱力學(xué)第二定律的表述。2023/1/3114第一章緒論英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋（JamesClerkMaxwell，1831～1879）

1859年他用統(tǒng)計(jì)方法導(dǎo)出了處于熱平衡態(tài)中的氣體分子的“麥克斯韋速率分布律”。奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼（LudwigEduardBoltzmann，1844～1906）1877年發(fā)現(xiàn)了宏觀的熵與體系熱力學(xué)幾率之間的關(guān)系。

使科學(xué)界接受了熱力學(xué)第二定律1.1化工熱力學(xué)發(fā)展史1.1.4熱力學(xué)第二定律發(fā)展史2023/1/3115第一章緒論德國(guó)物理化學(xué)家能斯特（WaltherHermannNernst,1864～1941）

1906年，根據(jù)對(duì)低溫現(xiàn)象的研究，得出了熱力學(xué)第三定律，被稱之為“能斯特?zé)岫ɡ怼薄?920年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)德國(guó)物理學(xué)家普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858～1947)

在能斯特研究的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)理論指出：各種物質(zhì)的完美晶體在絕對(duì)零度時(shí)熵為零。

1911年普朗克也提出了對(duì)熱力學(xué)第三定律的表述1.1化工熱力學(xué)發(fā)展史1.1.5熱力學(xué)第三定律發(fā)展史2023/1/3116第一章緒論1.1化工熱力學(xué)發(fā)展史1.1.6化工熱力學(xué)基本定律第零定律（Zerothlawofthermodynamics）：與第三個(gè)體系處于熱力學(xué)平衡的兩個(gè)體系，彼此處于熱力學(xué)平衡（T）第一定律（Firstlawofthermodynamics）：能量守恒(UH)第二定律(Secondlawofthermodynamics):Statement1:不可能從單一熱源吸熱使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兓tatement2:熱不可能自動(dòng)從低溫物體傳給高溫物體。(S)第三定律：不可能使一個(gè)物體冷卻到絕對(duì)溫度的零度(0K)。2023/1/3117第一章緒論嚴(yán)密性：表現(xiàn)在熱力學(xué)具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)。完整性：熱力學(xué)具有一套完整系統(tǒng)的基本理論。普遍性：熱力學(xué)原理適用于宇宙的各個(gè)領(lǐng)域，只要與熱力學(xué)有關(guān)的問(wèn)題都可以通過(guò)熱力學(xué)的方法來(lái)解決。精簡(jiǎn)性：熱力學(xué)描述問(wèn)題，不僅定性而且定量，即簡(jiǎn)單又準(zhǔn)確。1.2熱力學(xué)特性及研究方法1.2.1熱力學(xué)特性2023/1/3118第一章緒論工程熱力學(xué)（EngineeringThermodynamics）:主要研究功、熱轉(zhuǎn)化，以及能量利用率的高低?；瘜W(xué)熱力學(xué)（ChemicalThermodynamics）:應(yīng)用熱力學(xué)原理研究有關(guān)化學(xué)中各類平衡問(wèn)題。主要側(cè)重于熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算?；崃W(xué)（ChemicalEngineeringThermodynamics）：研究在化學(xué)工程中的熱力學(xué)問(wèn)題。主要側(cè)重于工程計(jì)算。它既能解決能量的利用問(wèn)題，又能解決相際間質(zhì)量傳遞與化學(xué)反應(yīng)方向與限度等問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)（StatisticalThermodynamics）:從微觀角度出發(fā)研究過(guò)程的熱現(xiàn)象。1.2熱力學(xué)特性及研究方法1.2.2熱力學(xué)分支2023/1/3119第一章緒論化工熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)經(jīng)典熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)工程熱力學(xué)熱力學(xué)研究方法宏觀研究方法微觀研究方法1.2熱力學(xué)特性及研究方法1.2.3熱力學(xué)研究方法20第一章緒論1.3化工熱力學(xué)地位及作用1.3.1化工熱力學(xué)地位研發(fā)新產(chǎn)品要求：綠色工藝產(chǎn)品質(zhì)量好產(chǎn)品收率高成本低2023/1/3121第一章緒論第一級(jí)：物性常數(shù)和熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算第二級(jí)：平衡計(jì)算第三級(jí)：“三傳一反”第四級(jí)：設(shè)備設(shè)計(jì)第五級(jí)：流程配置第六級(jí)：過(guò)程優(yōu)化吸收系統(tǒng)模擬反應(yīng)系統(tǒng)模擬精餾系統(tǒng)模擬化工模擬系統(tǒng)吸收塔計(jì)算反應(yīng)器計(jì)算精餾塔計(jì)算換熱器計(jì)算設(shè)備模擬化反應(yīng)速度計(jì)算傳質(zhì)計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算傳熱計(jì)算三傳和反應(yīng)工程學(xué)相平衡計(jì)算反應(yīng)平衡計(jì)算熱平衡計(jì)算物料平衡計(jì)算露點(diǎn)泡點(diǎn)計(jì)算化工熱力學(xué)全流程的最佳化設(shè)計(jì)和控制物性學(xué)和熱力學(xué)表面張力計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算密度計(jì)算焓的計(jì)算粘度計(jì)算1.3化工熱力學(xué)地位及作用1.3.2化工熱力學(xué)地位2023/1/3122第一章緒論應(yīng)用模型原理“原理-模型-應(yīng)用”構(gòu)成了化工熱力學(xué)內(nèi)容的三要素。原理是基礎(chǔ)，應(yīng)用是目的，模型則是應(yīng)用中不可缺少的工具。狀態(tài)方程EOS活度系數(shù)模型γi1.4化工熱力學(xué)基本內(nèi)容2023/1/3123第一章緒論原理第三章（均相封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)）第四章（均相敞開系統(tǒng)的相平衡）應(yīng)用第三章（均相系統(tǒng)）第五章（非均相系統(tǒng)）第六章（流動(dòng)系統(tǒng)）模型第二章（狀態(tài)方程EOS）第四章（活度系數(shù)模型γi）1.5本課程內(nèi)容及要求2023/1/3124第一章緒論均相性質(zhì)純物質(zhì)定組成混合物非均相性質(zhì)純物質(zhì)混合物流動(dòng)體系熱力學(xué)分析熱力學(xué)模擬均相封閉體系熱力學(xué)非均相封閉體系熱力學(xué)流動(dòng)體系的能量平衡、熵平衡方程模型EOS和gi應(yīng)用

封閉體系流動(dòng)體系熱力學(xué)原理

方法：運(yùn)用經(jīng)典熱力學(xué)的原理，結(jié)合反映體系特征的模型，應(yīng)用于解決工程中的實(shí)際問(wèn)題。1.4化工熱力學(xué)基本內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容第一章緒論（2學(xué)時(shí)）第二章流體的P-V-T關(guān)系（4學(xué)時(shí)）第三章純物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)（6學(xué)時(shí)）第四章流體混合物的熱力學(xué)性質(zhì)（10學(xué)時(shí)）第五章化工過(guò)程能量分析（6學(xué)時(shí)）第六章蒸汽動(dòng)力循環(huán)和制冷循環(huán)（12學(xué)時(shí)）2023/1/3125第一章緒論1.5本課程內(nèi)容及要求2023/1/3126第一章緒論1.5本課程內(nèi)容及要求第五章化工過(guò)程能量分析（H，S，W，Ex）第六章動(dòng)力和制冷循環(huán)（H，S，Q，W，η）第二章流體的PVT關(guān)系（P-V-T，EOS）第三章純流體的熱力學(xué)性質(zhì)（EOS+CpHUS）第四章流體混合物的熱力學(xué)性質(zhì)（）第五章相平衡（）給出物質(zhì)的有效利用極限給出物質(zhì)的有效利用極限化工熱力學(xué)的任務(wù)2023/1/3127第一章緒論考試方法成績(jī)?cè)u(píng)定：總成績(jī)=考核成績(jī)（70%）+平時(shí)成績(jī)（30%）上課情況、平時(shí)作業(yè)要求(1)認(rèn)真做好筆記。(2)

獨(dú)立完成作業(yè).(3)學(xué)習(xí)三遍：預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)做到：提起來(lái)是一串，放下是一堆1.5本課程內(nèi)容及要求1、系統(tǒng)定義：系統(tǒng)：熱力學(xué)所研究的對(duì)象環(huán)境：與系統(tǒng)通過(guò)界面密切隔開，并于系統(tǒng)密切相關(guān)的周圍部分系統(tǒng)的類型（1）封閉系統(tǒng)：系統(tǒng)與環(huán)境只有能量交換沒有物質(zhì)交換。（2）敞開系統(tǒng)：系統(tǒng)與環(huán)境既有能量交換又有物質(zhì)交換。（3）孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與環(huán)境既沒有能量交換又沒有物質(zhì)交換（隔離）。環(huán)境系統(tǒng)第一章緒論1.6化工熱力學(xué)基本概念回顧28系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)強(qiáng)度性質(zhì)：與構(gòu)成系統(tǒng)的物質(zhì)量無(wú)關(guān)。如：T、P等。容量性質(zhì)：與系統(tǒng)中物質(zhì)量有關(guān)。如：V、U、H、S等。系統(tǒng)的狀態(tài)是由強(qiáng)度性質(zhì)決定的！摩爾性質(zhì)為強(qiáng)度性質(zhì)！重要!第一章緒論1.6化工熱力學(xué)基本概念回顧293、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)（1）狀態(tài)：某一瞬間體系呈現(xiàn)的宏觀狀況。（2）平衡狀態(tài)：在沒有外界影響的條件下，體系的宏觀狀態(tài)不隨時(shí)間而改變，即系統(tǒng)與環(huán)境之間凈流為零。熱平衡，力平衡，相平衡，化學(xué)平衡即溫度差，壓力差，化學(xué)位差均為零。第一章緒論1.6化工熱力學(xué)基本概念回顧30（3）狀態(tài)函數(shù)：與系統(tǒng)狀態(tài)變化的途徑無(wú)關(guān)，僅取決于初態(tài)和終態(tài)的量。常用的狀態(tài)函數(shù)有P，V，T，U，H，S，A，GM——狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)一定值一定，殊途同歸值變等，周而復(fù)始變化零循環(huán)過(guò)程：△H=0，△U=0，△V=0，△S體系=0（當(dāng)然△S總≠0)狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3第一章緒論1.6化工熱力學(xué)基本概念回顧4、過(guò)程◆

指體系自一平衡狀態(tài)到另一平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)換◆

對(duì)某一過(guò)程的描寫：初態(tài)＋終態(tài)＋路徑（1）不可逆過(guò)程：一個(gè)單向過(guò)程發(fā)生之后一定留下一些痕跡，無(wú)論用何種方法也不能將此痕跡完全消除。如：爆炸、節(jié)流、氣體向真空自由膨脹等。凡是自發(fā)過(guò)程過(guò)程皆是不可逆過(guò)程！第一章緒論1.6化工熱力學(xué)基本概念回顧（2）可逆過(guò)程：可逆過(guò)程：當(dāng)體系完成某一過(guò)程后，如果令過(guò)程逆行而