第一章-热力学课件

你关心的问题和疑问你关心的问题和疑问我要赚大钱！我要赚大钱！我要找一个安稳的工作！我要找一个安稳的工作！到底是出国、考研、考公务员还是去企业？到底是出国、考研、考公务员还是去企业？化学工程与工艺专业不是我喜欢的专业！化学工程与工艺专业不是我喜欢的专业！我想做律师、我想做律师、公务员、做贸易！公务员、做贸易！所有的课程我都不感兴趣！所以我忙着玩游戏！但我所有的课程我都不感兴趣！所以我忙着玩游戏！但我心里也虚，不知怎么办？心里也虚，不知怎么办？化学工程是夕阳工业吗？化学工程是夕阳工业吗？化学工程能做什么？化学工程能做什么？化学工程的主要目标就是使化学家实验室做出化学工程的主要目标就是使化学家实验室做出来的化学反应商品化！来的化学反应商品化！10项顶尖成果项顶尖成果（1983年，年，AIChE）1.合成橡胶合成橡胶（1983年，年，220亿磅亿磅/年。二战期间，及年。二战期间，及时解救了天然橡胶匮乏的困境。）时解救了天然橡胶匮乏的困境。）2.抗生素抗生素：1918年流感夺走了全世界年流感夺走了全世界2000万万人的生人的生命。化学工程使青霉素的年产量高达百万磅。命。化学工程使青霉素的年产量高达百万磅。3.聚合物聚合物：塑料在很多应用场合能取代木头、金属和：塑料在很多应用场合能取代木头、金属和玻璃。玻璃。化学工程能做什么？化学工程能做什么？4.合成纤维合成纤维。5.低温空分生成低温空分生成O2和和N2。6.核同位素的分离核同位素的分离。7.原油的催化裂解原油的催化裂解：制备高辛烷值燃料的能力在英国：制备高辛烷值燃料的能力在英国战役和二次世界大战中是一决定性因素。战役和二次世界大战中是一决定性因素。8.污染的控制。污染的控制。9.肥料尤其是合成氨肥料尤其是合成氨：新肥料改进了农业的生产力并：新肥料改进了农业的生产力并帮助养活了全世界。帮助养活了全世界。10.生物医学工程生物医学工程。中国科学院学部学科发展战略研究合作项目中国科学院学部学科发展战略研究合作项目中国科学院学部学科发展战略研究合作项目中国科学院学部学科发展战略研究合作项目化学工程学科发展战略化学工程学科发展战略【研究报告】【研究报告】20132013年年0707月月1414日日一一化学工程学科的科学意义化学工程学科的科学意义及战略及战略地位地位学科内涵学科内涵1 1学科内涵及学科内涵及发展发展历程历程p化学p物理学p数学p生物学三传一反其他理论p化工热力学化工热力学p分离工程p生物工程应用化学生态化工工业催化材料化学工程化学工程化学工艺生物化工基础化学工程学科化学工程学科p系统工程p控制工程1 1学科内涵及发展历程学科内涵及发展历程1880188018881888191519151921192119351935195719572020世纪世纪中叶以来中叶以来“化学工程”概念“化学工程”课程“单元操作”概念第一个化工系有机合成中的单元过程三传一反多种范式p产品工程p三传一反+Xp多尺度理论与方法、介尺度等GeorgeE.DavisLewisM.NortonArthurD.LittleMITP.H.GrogginsR.B.BirdJamesWei郭慕孙院士李静海院士 现代现代化学工程学科化学工程学科是是1919世纪末为适应化学世纪末为适应化学品大规模生产的需要，在品大规模生产的需要，在工业化学工业化学的基础上逐的基础上逐步形成的一门步形成的一门工程技术学科工程技术学科。1 1学科内涵及发展历程学科内涵及发展历程2 2战略地位与重要作用战略地位与重要作用化学工程是化学转化过程及其高值化与规模化所包含的科学与技术的问题的集成何鸣元何鸣元 院士院士国际国际p营业额美国：第三大制造业，10%德国：第四大工业部门，10%p贸易额美、加、荷兰、德、法国内国内p行业产值高：占GDP 10%p与生活息息相关农业：农用化学品能源工业：原燃料机械工业：配套产品建 筑 业：建筑原材料军事工业：军用化工产品人民生活：日用化学品2 2战略地位与重要作用战略地位与重要作用“生活处处皆化工生活处处皆化工”n不论是人们的衣、食、住、行，还是现代的高科技不论是人们的衣、食、住、行，还是现代的高科技产品，都有化学工程的影子，真可谓产品，都有化学工程的影子，真可谓“生活处处皆生活处处皆化工化工”。n在美国和德国，化学工业都是在美国和德国，化学工业都是经济支柱产业经济支柱产业。n从我国从我国“十五十五”统计情况看，国民经济产值的统计情况看，国民经济产值的10%是是由化学工业提供的。由化学工业提供的。同学们的将来职业同学们的将来职业n科研科研n经商经商n从政从政美国美国“钱景钱景”亮丽的八大本科黄金专亮丽的八大本科黄金专业业一、石油工程一、石油工程(Petroleumengineering)n中位年薪是中位年薪是16.8万美元。万美元。二、生物医学工程二、生物医学工程(Biomedicalengineering)n美国主任级生物医学工程师的美国主任级生物医学工程师的中位年薪是中位年薪是16万美元。万美元。三、应用数学三、应用数学(Appliedmathematics)n中学教授数学，年薪中学教授数学，年薪C6H5NH2+H2？H2OH2+O2？G0N2+H2NH3？G0常温、常压常温、常压 常温、常压常温、常压4.4.化工热力学的用途化工热力学的用途（2 2）能量有效利用。对于实践证明是可行的工艺进行）能量有效利用。对于实践证明是可行的工艺进行优化。优化。节能：老厂改造，增效挖潜，能量的合理利用。节能：老厂改造，增效挖潜，能量的合理利用。如如美美国国一一聚聚乙乙烯烯醇醇工工厂厂能能耗耗大大，特特别别是是分分离离工工段段的的能能耗耗占占全全厂厂的的65%65%，应应用用热热力力学学相相平平衡衡的的成成果果，将将进进料中乙醛含量由料中乙醛含量由0.7%0.7%降至降至0.4%0.4%后，操作费用节省后，操作费用节省50%50%。能量损失的形式：能量损失的形式：防止跑冒滴漏防止跑冒滴漏 不合理的工艺不合理的工艺 不可逆损失不可逆损失 能量是有能量是有品位品位的。的。高温蒸汽比低温蒸汽有用。高温蒸汽比低温蒸汽有用。有用的热量称为有用的热量称为有效能有效能，也，也 称为称为“火用火用”4.4.化工热力学的用途化工热力学的用途（3 3）平平衡衡问问题题（特特别别是是相相平平衡衡）。多多元元相相平平衡衡数数据据是是设设计计、生生产产操操作作和和产产品品质质量量控控制制必必不不可可少少的的，尤尤其其是是产产品品众众多多、分分离要求高的石油化工更是如此。离要求高的石油化工更是如此。产品分离：设备投资产品分离：设备投资5090%；能量投资能量投资6090%。精馏塔的设计。精馏塔的设计。（4 4）热力学性质计算。建立化工热力学模型，用最易测）热力学性质计算。建立化工热力学模型，用最易测得的数据（得的数据（P P、V V、T T、X X）推算难测数据（）推算难测数据（H H，S S，G G）；用）；用少量实验数据加模型，得到过程开发中大量有用数据。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！多、快、好、省！世界上有世界上有105无机物，无机物，6106有机物，只有有机物，只有100种纯物种纯物质的热力学数据研究比较透彻。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。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。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。在高压、低温下的物性数据更是当务之急。实验费时、费力。实验费时、费力。二、化工热力学的研究内容二、化工热力学的研究内容“原理原理-模型模型-应用应用”构成化工热力学研究内容的构成化工热力学研究内容的“三要素三要素”。原原 理理对于模型的研究和建对于模型的研究和建立不是本课程的内容。立不是本课程的内容。了解模型的适用范围了解模型的适用范围和如何应用模型是本课和如何应用模型是本课程的任务。程的任务。应应用用模模 型型应用应用封闭系统封闭系统流动系统流动系统模型模型EOS和和热力学原理热力学原理均相封闭体均相封闭体系热力学系热力学均相性质均相性质纯物质纯物质定组成混合物定组成混合物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、能量平衡、熵平衡方程熵平衡方程流动体系流动体系热力学分析热力学分析热力学模拟热力学模拟非均相性质非均相性质纯物质纯物质混合物混合物二、化工热力学研究内容二、化工热力学研究内容三、热力学的研究特点三、热力学的研究特点1 1、经典热力学的研究特点、经典热力学的研究特点 从从局部局部的实验数据推算系统的实验数据推算系统完整完整的信息。的信息。从从纯物质纯物质的信息求取的信息求取混合物混合物的信息。的信息。从从容容易易获获得得的的物物性性数数据据（P P、V V、T T、X X）来来推推算算较较难测定难测定的数据（的数据（H H，S S，G G）。）。从从常温常压常温常压的物性数据来推算的物性数据来推算苛刻条件苛刻条件下的性质。下的性质。需要模型需要模型2 2、化工热力学的研究特点、化工热力学的研究特点（1 1）研究体系为实际状态）研究体系为实际状态 化学热力学研究的是以化学热力学研究的是以理想理想状态为主，如理想气体、状态为主，如理想气体、理想溶液；化工热力学研究的是理想溶液；化工热力学研究的是实际实际状态。状态。在任意温度、压力下，多组分的状态在任意温度、压力下，多组分的状态理想气体：分子间没理想气体：分子间没有相互作用，分子的有相互作用，分子的体积大小可以忽略。体积大小可以忽略。（压力极低）（压力极低）PV=nRT PV=nRT真实气体：分子间有真实气体：分子间有相互作用，分子的体相互作用，分子的体积大小不能忽略积大小不能忽略PV nRTPV nRT三、热力学的研究特点三、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。）处理方法：以理想态为标准态加上校正。实际结果实际结果=理想结果理想结果+校正校正气体气体Z（压缩因子）（压缩因子）气体气体（逸度系数）（逸度系数）溶液溶液i（活度系数）（活度系数）化学热化学热力学的力学的方法方法建立模型建立模型三、热力学的研究特点三、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）获取数据的方法：少量实验数据加半经验模型 化化工工热热力力学学是是用用少少量量实实验验数数据据加加半半经经验验模模型型，得得到到所所需需数数据据。尽尽管管有有误误差差（5%），但但很很实实用用，可可以以预预测测复杂复杂的物性数据。的物性数据。高压、高温、高压、高温、低温、多元低温、多元模型：运用数学式来表模型：运用数学式来表达物质之间相互关系。达物质之间相互关系。越有物理意义的模型，越有物理意义的模型，越准确。越准确。三、热力学的研究特点三、热力学的研究特点1 1、经典热力学的特点之一、经典热力学的特点之一 研研究究大大量量分分子子中中发发生生的的平平均均变化。变化。总总结结出出具具有有普普遍遍性性的的热热力力学学基本定律。基本定律。建建筑筑在在热热力力学学的的三三个个基基本本定定律律之之上上，运运用用数数学学方方法法，得得到到宏宏观性质之间的依赖关系。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经典热力学的局限性经典热力学的局限性之一：之一：不能定量预测物不能定量预测物质的宏观性质。质的宏观性质。不能解释微观本不能解释微观本质及其产生某种现象质及其产生某种现象的内部原因。的内部原因。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热力学研究方法宏观研究方法宏观研究方法微观研究方法微观研究方法经典热力学经典热力学分子热力学（统计热力学）分子热力学（统计热力学）2、经典热力学的特点之二、经典热力学的特点之二 不研究物质的结构；不研究物质的结构；不考虑过程的细节；不考虑过程的细节；只只关关心心平平衡衡问问题题（只只关关心心体体系系的的初初态态和和终终）；不不关心如何到达平衡。关心如何到达平衡。四、化工热力学的局限性四、化工热力学的局限性经典热力学局限性之二：经典热力学局限性之二：只能解决极限问题，不能只能解决极限问题，不能解决速率问题解决速率问题经经典热力学能够给出的是必典热力学能够给出的是必要条件而不是充分条件。要条件而不是充分条件。但由热力学分析可以排除不但由热力学分析可以排除不能发生反应的条件，因而节省能发生反应的条件，因而节省了大量的时间和精力。了大量的时间和精力。五、学习化工热力学的目的、要求五、学习化工热力学的目的、要求1、目的、目的（两个）两个）（1）了解化工热力学的基本内容）了解化工热力学的基本内容（2）提提高高利利用用化化工工热热力力学学的的观观点点、方方法法来来分分析析、解解决决化化工生产、工程设计、科学研究中有关实际问题的能力。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）要求（四个）（1）要明确各章节的作用，也即解决什么问题，得）要明确各章节的作用，也即解决什么问题，得出什么结论。出什么结论。（2）要掌握化工热力学的研究方法。）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。）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）作业步骤清晰，思路明确，计算基准、单位要妥当。妥当。五、学习化工热力学的目的、要求五、学习化工热力学的目的、要求六、热力学基本概念六、热力学基本概念六、热力学基本概念六、热力学基本概念1 1、系统、系统 定义：热力学的研究对象总是选择宇宙空间的一部分，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这一部分选定的空间即称为系统，其余部分称为环境。其余部分称为环境。分类：三类分类：三类 （1 1）封闭系统：与环境间无物质传递。）封闭系统：与环境间无物质传递。（2 2）敞开系统：与环境间有物质传递。）敞开系统：与环境间有物质传递。（3 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：与环境间既无物质传递又无能量传递。环境环境系统系统封闭封闭系统系统 ！六、热力学基本概念六、热力学基本概念2、热力学性质：如、热力学性质：如T、P、V、H、S、U等。等。分类：两类。分类：两类。（1）强度性质：一类与系统的尺寸（即物质量的多少）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：无关的性质。如：T、P等。等。（2）容量性质：与系统中物质量的多少有关的性质。）容量性质：与系统中物质量的多少有关的性质。如：如：V、W、U、H、S等。等。系统的状态是由强度性质决定的！系统的状态是由强度性质决定的！摩尔性质为强度性质！摩尔性质为强度性质！重要重要!六、热力学基本概念六、热力学基本概念3 3、状态和状态函数、状态和状态函数 （1 1）状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。）状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。（2 2）平平衡衡状状态态：在在没没有有外外界界影影响响的的条条件件下下，体体系系的的宏宏观状态不随时间而改变，即系统与环境之间净流为零。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，化学平衡热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡即温度差，压力差，化学位差均为零。即温度差，压力差，化学位差均为零。（3）状状态态函函数数：与与系系统统状状态态变变化化的的途途径径无无关关，仅仅取取决决于于初态和终态的量。常用的状态函数初态和终态的量。常用的状态函数 有有P，V，T，U，H，S，A，G M状态函数状态函数 六、热力学基本概念六、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：循环过程：H=0，U=0，V=0，S体系体系=0（当然（当然S总总0)状态状态1 1 状态状态2 2 状态状态3 34 4、过程、过程 指体系自指体系自一平衡状态一平衡状态到到另一平衡状态另一平衡状态的转换的转换 对某一过程的描写：对某一过程的描写：初态初态终态终态路径路径（1 1）不不可可逆逆过过程程：一一个个单单向向过过程程发发生生之之后后一一定定留留下下一一些痕迹些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除。，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除。六、热力学基本概念六、热力学基本概念 如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等。如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等。凡是自发过程皆是不可凡是自发过程皆是不可逆过程！逆过程！（2 2）可可逆逆过过程程：可可逆逆过过程程：当当体体系系完完成成某某一一过过程程后后，如如果果令令过过程程逆逆行行而而能能使使过过程程中中所所涉涉及及的的一一切切(体体系系及及环环境境)都都回回复复到原始状态而不留下任何变化，则此过程称为可逆过程到原始状态而不留下任何变化，则此过程称为可逆过程无无限限小小的的沙沙子子。拿拿走走一一粒粒无无限限小小的的沙沙子子，dP减减少少无无限限小小，推推动动力力无无限限小小，可可以以忽略不计。忽略不计。带活塞的气缸带活塞的气缸若是可逆过程，推动力需为无限小，若是可逆过程，推动力需为无限小，体系始终无限接近平衡状态。体系始终无限接近平衡状态。六、热力学基本概念六、热力学基本概念 可逆过程的特点：可逆过程的特点：（1 1）可可逆逆过过程程是是实实际际过过程程中中只只能能趋趋近近而而永永远远不不能能实实现现的的理理想想过过程程。没没有有摩摩擦擦，推推动动力力无无限限小小,过过程程进进行行无限慢。无限慢。（2 2）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际）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。过程中能量转换效果比较的标准。若说某体系效率为若说某体系效率为80%80%，是指与可逆过程比。，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用但爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等不能用“可逆过程可逆过程+效率效率”模式来计算。模式来计算。六、热力学基本概念六、热力学基本概念（3 3）可逆过程是效率最高的过程。）可逆过程是效率最高的过程。体系对外做最大功。体系对外做最大功。体系对外吸收最小功。体系对外吸收最小功。（4 4）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下推导出来）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下推导出来 的。如：的。如：六、热力学基本概念六、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。）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）（即没有功热得失及状态变化）n不可逆过程的特点：不可逆过程的特点：n有摩擦，过程进行有一定速度有摩擦，过程进行有一定速度;n体系内部不均匀（有扰动，涡流等现象）体系内部不均匀（有扰动，涡流等现象）;n逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹;n如果与相同始终态的可逆过程相比较，产功小于可逆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。过程，耗功大于可逆过程。参考文献参考文献：1 朱自强，徐汛编，化工热力学，化学工业出版社，朱自强，徐汛编，化工热力学，化学工业出版社，19912 J.M.Smith,(美美)史史密密斯斯，化化工工热热力力学学导导论论，第第三三版版，化化学学工工业出版社，业出版社，19823 张联科主编，化工热力学，化学工业出版社，张联科主编，化工热力学，化学工业出版社，19804 J.M.Smith,(美美)史史密密斯斯，化化工工热热力力学学导导论论习习题题解解答答，化化学学工工业出版社，业出版社，19865 陈陈钟钟秀秀,顾顾飞飞燕燕编编，化化工工热热力力学学例例题题与与习习题题，化化学学工工业业出出版版社社1998n n大学是知识的源泉，大学是知识的源泉，少数的人如饥似渴地畅饮，少数的人如饥似渴地畅饮，更多的人悠哉游哉地品吮，更多的人悠哉游哉地品吮，绝大多数的人则只是漱了漱口绝大多数的人则只是漱了漱口。n你呢？你呢？李凌飞：李凌飞：