第一章绪论化工热力学(陈新志)课件

化工热力学化工热力学Chemical Engineering Thermodynamics 1 同学们的将来职业同学们的将来职业v科研、技术科研、技术v经商经商v从政从政2利用超临界利用超临界CO2流体技术从植物流体技术从植物/动物中提动物中提取纯天然的高附加值的物质取纯天然的高附加值的物质n高附加值的天然产品高附加值的天然产品 有樱桃味有樱桃味 US$120/Ib无樱桃味无樱桃味 US$14/Ib n（从樱桃核中提取）（从樱桃核中提取）US$140/IbUS$14/Ib苯甲酮苯甲酮苯甲醇苯甲醇3化学工程师的收入化学工程师的收入v在今天的美国，最受企业欢迎的是哪个专业的在今天的美国，最受企业欢迎的是哪个专业的毕业生？毕业生？v 2013年美国大学毕业生薪资排行榜年美国大学毕业生薪资排行榜4Chemical engineerv很多化学工程师进入企业高管很多化学工程师进入企业高管.v世界著名化工企业世界著名化工企业 Du Pont,General Electric,Union Carbide,3M,Dow Chemical,Exxon,BASF.5化学工程能做什么？化学工程能做什么？vv化学工程的主要目标就是使化学家实验室做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！出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，及时年。二战期间，及时解救了天然橡胶匮乏的困境。）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2000万万人的生命。人的生命。化学工程使青霉素的年产量高达百万磅。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。6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。7化学工程化学工程v目的目的:解决化学工程原理应用于新体系的瓶颈问题解决化学工程原理应用于新体系的瓶颈问题v意义意义:最合理地利用能源和资源、保护生态环境和最合理地利用能源和资源、保护生态环境和人类健康人类健康8化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系第一级第一级：物性常数：物性常数和热力学性质计算和热力学性质计算第二级第二级：平衡计算：平衡计算第三级第三级：“三传一反三传一反”第四级第四级：设备设计：设备设计第五级第五级：流程配置：流程配置第六级第六级：过程发展：过程发展吸收吸收系统系统模拟模拟反应反应系统系统模拟模拟精馏精馏系统系统模拟模拟吸收吸收塔计塔计算算反应反应器计器计算算精馏精馏塔计塔计算算换热换热器计器计算算反应反应速度速度计算计算传质传质计算计算流体流体力学力学计算计算传热传热计算计算相平相平衡计衡计算算反应反应平衡平衡计算计算热平热平衡计衡计算算物料物料平衡平衡计算计算露点露点泡点泡点计算计算全流程的全流程的最佳化设最佳化设计和控制计和控制表面表面张力张力计算计算导热导热系数系数计算计算密度密度计算计算焓的焓的计算计算粘度粘度计算计算9化工热力学课程内容化工热力学课程内容第一章第一章第一章第一章 绪绪绪绪 论（论（论（论（3 3 3 3学时）学时）学时）学时）第二章第二章第二章第二章 p-V-T p-V-T p-V-T p-V-T关系和状态方程（关系和状态方程（关系和状态方程（关系和状态方程（6 6 6 6学时）学时）学时）学时）第三章第三章第三章第三章 均相封闭系统热力学原理及其应用（均相封闭系统热力学原理及其应用（均相封闭系统热力学原理及其应用（均相封闭系统热力学原理及其应用（9 9 9 9学时）学时）学时）学时）第四章第四章第四章第四章 均相敞开系统热力学及相平衡准则（均相敞开系统热力学及相平衡准则（均相敞开系统热力学及相平衡准则（均相敞开系统热力学及相平衡准则（12121212学时）学时）学时）学时）第五章第五章第五章第五章 非均相系统的热力学性质计算（非均相系统的热力学性质计算（非均相系统的热力学性质计算（非均相系统的热力学性质计算（6 6 6 6学时）学时）学时）学时）第六章第六章第六章第六章 流动系统的热力学原理及应用（流动系统的热力学原理及应用（流动系统的热力学原理及应用（流动系统的热力学原理及应用（12121212学时）学时）学时）学时）101 1 陈新志陈新志陈新志陈新志,蔡振云蔡振云蔡振云蔡振云,胡望明胡望明胡望明胡望明.化工热力学化工热力学化工热力学化工热力学,北京：化学工业出版社北京：化学工业出版社北京：化学工业出版社北京：化学工业出版社2 2 金克新，赵传钧，马沛生金克新，赵传钧，马沛生金克新，赵传钧，马沛生金克新，赵传钧，马沛生.化工热力学，化工热力学，化工热力学，化工热力学，天津：天津大学出版社天津：天津大学出版社天津：天津大学出版社天津：天津大学出版社3 3 陈钟秀，顾飞燕陈钟秀，顾飞燕陈钟秀，顾飞燕陈钟秀，顾飞燕.化工热力学，化工热力学，化工热力学，化工热力学，第三版第三版第三版第三版.北京：化学工业出版社北京：化学工业出版社北京：化学工业出版社北京：化学工业出版社教材和参考书教材和参考书11第一章第一章 绪绪 论论12关于关于化工热力学课程化工热力学课程vv化工热力学课程是化学工程专业最重要的课化工热力学课程是化学工程专业最重要的课化工热力学课程是化学工程专业最重要的课化工热力学课程是化学工程专业最重要的课程之一。程之一。程之一。程之一。vv是国内外化学工程专业本科生（化工热力学是国内外化学工程专业本科生（化工热力学是国内外化学工程专业本科生（化工热力学是国内外化学工程专业本科生（化工热力学I I）和研究生（和研究生（和研究生（和研究生（化工热力学化工热力学化工热力学化工热力学II II）必修课程。必修课程。必修课程。必修课程。vv是一门是一门是一门是一门训练逻辑思维和演绎能力训练逻辑思维和演绎能力训练逻辑思维和演绎能力训练逻辑思维和演绎能力的课程。的课程。的课程。的课程。vv是一门培养是一门培养是一门培养是一门培养节约资源节约资源节约资源节约资源、合理利用能源合理利用能源合理利用能源合理利用能源观点的观点的观点的观点的课程。课程。课程。课程。vv化工热力学是化工热力学是化工热力学是化工热力学是“焓焓焓焓焓焓焓焓”糊糊糊糊糊糊糊糊“熵熵熵熵”脑筋的课程。脑筋的课程。脑筋的课程。脑筋的课程。vv学时学时学时学时4848。13化工热力学在课程链上的位置化工热力学在课程链上的位置14Why?1、冰箱冰箱的工作原理与的工作原理与空调空调是否相同？夏天打开冰箱门是否相同？夏天打开冰箱门是否能当空调？是否能当空调？2、空调与取暖器空调与取暖器哪个更省电？哪个更省电？3、假酒为何会喝死人？怎样去除酒精中的甲醇？、假酒为何会喝死人？怎样去除酒精中的甲醇？4、为什么无水酒精的价格是、为什么无水酒精的价格是95%酒精的二倍？主要是酒精的二倍？主要是哪一部分的成本提高了？哪一部分的成本提高了？15Why?5、液化石油气液化石油气的主要成分为何是的主要成分为何是丙烷、丁烷丙烷、丁烷和少量的戊烷和少量的戊烷而不是而不是甲烷或己烷甲烷或己烷？6、酸雨对大理石雕像是否有害？、酸雨对大理石雕像是否有害？16Why?7、为什么要节能？如何节能？依据是什么？、为什么要节能？如何节能？依据是什么？v全世界不可再生化石燃料的消耗占全世界不可再生化石燃料的消耗占90%。v中国中国50%的能源需要进口。的能源需要进口。v中国中国人均能源消费人均能源消费不到世界平均水平的不到世界平均水平的50%。v中国的中国的能源利用率能源利用率仅是世界平均水平的仅是世界平均水平的50%。v化工是耗能大户，仅次于冶金。化工是耗能大户，仅次于冶金。17新能源新能源可燃冰可燃冰v1M3“可燃冰可燃冰”释放出的能量相当于释放出的能量相当于164M3的天然气。的天然气。v全球全球“可燃冰可燃冰”总能量，是所有煤、石油、天然气总总能量，是所有煤、石油、天然气总和的和的23倍。倍。v“可燃冰可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子的主要成分是甲烷与水分子(CH4H2O)。v勘探需要知道：在海底下，勘探需要知道：在海底下，何种温度、压力下何种温度、压力下会形会形成成“可燃冰可燃冰”？v热力学能解决！热力学能解决！18二氧化碳减二氧化碳减排的排的紧迫性紧迫性全球气候转暖，导致全球气候转暖，导致南北南北极冰山融化，极冰山融化，海平面已海平面已上升上升1010到到2525厘米厘米）二氧化碳地质减排二氧化碳地质减排二氧化碳地质减排二氧化碳地质减排CO2-H2O体系体系CO2-NaCl-H2O体系体系CO2-NaCl-KCl-H2O体系体系CO2-多元电解质多元电解质-H2O体系体系 19降低资源消耗降低资源消耗v2003年，中国消耗了全球总产量年，中国消耗了全球总产量30%的主要能源和的主要能源和原材料原材料，创造的，创造的GDP仅占世界的仅占世界的4%。v如果按每如果按每1美元生产总值能耗，我国比发达国家能耗美元生产总值能耗，我国比发达国家能耗高高45倍倍。v目前，目前，美国美国每万美元耗水为每万美元耗水为514M3，日本日本208M3，中国中国5045M3，是发达国家的，是发达国家的820倍倍。v中国很多地区的经济增长速度是靠中国很多地区的经济增长速度是靠高投资、高能耗、高投资、高能耗、高污染高污染换来的。换来的。20本章内容本章内容v一、化工热力学的目的、意义和范围一、化工热力学的目的、意义和范围v二、化工热力学研究内容和安排二、化工热力学研究内容和安排v三、化工热力学的局限性三、化工热力学的局限性v四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学v五、本课程的内容五、本课程的内容21一、化工热力学的目的、意义和范围一、化工热力学的目的、意义和范围 化工热力学化工热力学 Thermo-dynamics，是讨论热与功的转化规律。经典热力学建立在热力学三个基本定律之上。运用数学方法，可以得到热力学性质之间的关系。本课程的主主要要目目的的是运用经典热力学原理来解决如下实际问题：(1)过程进行的可行性分析和能量有效利用；(2)平衡问题，特别是相平衡；(3)平衡状态下的热力学性质计算。即流体的性质随着温度、压力、相态、组成等的变化。计算机的广泛应用为化工过程设计所需热力学数据的获取，以及模型化提供了强有力的基础。22一、化工热力学的目的、意义和范围一、化工热力学的目的、意义和范围1、化工热力学的定义化工热力学的定义A、热力学（、热力学（Thermo-dynamics）B、工程热力学（、工程热力学（Engineering Thermodynamics）C、化学热力学（、化学热力学（Chemical Thermodynamics）D、化工热力学（、化工热力学（Chemical Engineering Thermodynamics）231、化工热力学的定义化工热力学的定义A、热力学（、热力学（Thermo-dynamics）讨论热与功转化规律的科学。讨论热与功转化规律的科学。v远古远古“钻木取火钻木取火”机械能转换为内能。机械能转换为内能。v12世纪世纪“火药燃烧加速箭支的飞行火药燃烧加速箭支的飞行”v19世纪世纪“蒸汽机蒸汽机”热转换为功。热转换为功。24热力学的四大特性热力学的四大特性v严密性：严密性：表现在热力学具有严格的理论基础。热力学证明是可表现在热力学具有严格的理论基础。热力学证明是可以行通的事情，在实际当中才能够行的通；以行通的事情，在实际当中才能够行的通；热力学证热力学证明是不可行的事情，在实际当中无论采用什么措施，明是不可行的事情，在实际当中无论采用什么措施，也实施不了。也实施不了。v完整性完整性由于热力学具有由于热力学具有v热力学第一定律：能量守恒定律热力学第一定律：能量守恒定律 v第二定律：熵增原理、热效率第二定律：熵增原理、热效率 v第三定律：绝对熵定律第三定律：绝对熵定律 v第零定律：热平衡定律第零定律：热平衡定律这四大定律使热力学成为一门逻辑性强而完整的科学。这四大定律使热力学成为一门逻辑性强而完整的科学。25v普遍性：普遍性：表现在热现象在日常生活中是必不可缺少的。表现在热现象在日常生活中是必不可缺少的。热力学的基本定律、基本理论，不但能够解热力学的基本定律、基本理论，不但能够解决实际生产中的问题，还能够解决日常生活决实际生产中的问题，还能够解决日常生活中的问题，甚至用于宇宙问题的研究。中的问题，甚至用于宇宙问题的研究。v精简性：精简性：表现在热力学能够定性、定量地解决实际问表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题。题。26B、工程热力学（工程热力学（Engineering Thermodynamics）将热力学的基本理论应用于工程技术领域，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。则为工程热力学。主要研究主要研究热能与机械能热能与机械能之间转换规律以及在之间转换规律以及在工程中的应用。工程中的应用。特点：特点：v制冷、发电制冷、发电v介质简单：水蒸气、氨、氟里昂介质简单：水蒸气、氨、氟里昂27C、化学热力学（化学热力学（Chemical Thermodynamics）应用热力学来处理热化学应用热力学来处理热化学、相平衡和化学平衡等化学领域中的问题，则形、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（是物理化学的一部分）。成化学热力学（是物理化学的一部分）。v例例1 1：利用热力学的原理能计算出在何种温度和压：利用热力学的原理能计算出在何种温度和压力条件下，由氮和氢能合成氨，这在化肥工业上力条件下，由氮和氢能合成氨，这在化肥工业上产生了重要影响。产生了重要影响。v420550；150 1000atmv例例2 2：石墨与金刚石二者间转变时的温度与压力效：石墨与金刚石二者间转变时的温度与压力效应的热力学计算，不但预示了人工制造金刚石所应的热力学计算，不但预示了人工制造金刚石所需的条件，并且导出了关于自然界金刚石形成的需的条件，并且导出了关于自然界金刚石形成的地质条件的假说。地质条件的假说。28石墨石墨金刚石？金刚石？在在1400，5-10万大气压下万大气压下，石墨石墨金刚石金刚石29D、化工热力学（化工热力学（Chemical Engineering Thermodynamics）集化学热力学集化学热力学和工程热力学之大成的学科。和工程热力学之大成的学科。任务是从热力学第一、第二定律出发，研究任务是从热力学第一、第二定律出发，研究化工过程化工过程中各种能量的相互转化和有效利用，中各种能量的相互转化和有效利用，研究各种物理和化学变化过程中达到平衡的研究各种物理和化学变化过程中达到平衡的理论极限、条件和状态。理论极限、条件和状态。它是化学工程学的一个重要组成部分，是化它是化学工程学的一个重要组成部分，是化工过程开发、设计和生产的重要理论依据。工过程开发、设计和生产的重要理论依据。30 从十八世纪末到十九世纪初开始，随着从十八世纪末到十九世纪初开始，随着从十八世纪末到十九世纪初开始，随着从十八世纪末到十九世纪初开始，随着蒸汽机蒸汽机蒸汽机蒸汽机在在在在生产中的广泛应用，如何充分利用生产中的广泛应用，如何充分利用生产中的广泛应用，如何充分利用生产中的广泛应用，如何充分利用热能来推动机械作热能来推动机械作热能来推动机械作热能来推动机械作功功功功成为重要的研究课题。成为重要的研究课题。成为重要的研究课题。成为重要的研究课题。化工热力学的发展化工热力学的发展31 17981798年，英国物理学家和政治学家年，英国物理学家和政治学家年，英国物理学家和政治学家年，英国物理学家和政治学家Benjamin Benjamin Thompson(1753-1814)Thompson(1753-1814)通过跑堂钻孔实验开始对通过跑堂钻孔实验开始对通过跑堂钻孔实验开始对通过跑堂钻孔实验开始对功转功转功转功转换为热进行定量研究换为热进行定量研究换为热进行定量研究换为热进行定量研究。17991799年，英国化学家年，英国化学家年，英国化学家年，英国化学家Humphry Davy(1778-1829)Humphry Davy(1778-1829)通过冰的摩擦实验研究通过冰的摩擦实验研究通过冰的摩擦实验研究通过冰的摩擦实验研究功转换为热功转换为热功转换为热功转换为热。32 18241824年年年年，法法法法国国国国工工工工程程程程师师师师CarnotCarnot发发发发表表表表了了了了 “关关关关于于于于火火火火的的的的动动动动力力力力研研研研究究究究”的的的的论论论论文。文。文。文。Carnot(1796-1832)他他他他通通通通过过过过对对对对自自自自己己己己构构构构想想想想的的的的理理理理想想想想热热热热机机机机的的的的分分分分析析析析得得得得出出出出结结结结论论论论：热热热热机机机机必必必必须须须须在在在在两两两两个个个个热热热热源源源源之之之之间间间间工工工工作作作作，理理理理想想想想热热热热机机机机的的的的效效效效率率率率只只只只取取取取决决决决于于于于两两两两个个个个热热热热源源源源的的的的温温温温度度度度，工工工工作作作作在在在在两两两两个个个个一一一一定定定定热热热热源源源源之之之之间间间间的的的的所所所所有有有有热热热热机机机机，其其其其效效效效率率率率都都都都超超超超不不不不过过过过可可可可逆逆逆逆热热热热机机机机，热热热热机机机机在在在在理理理理想想想想状状状状态态态态下下下下也也也也不不不不可可可可能达到百分之百。这就是能达到百分之百。这就是能达到百分之百。这就是能达到百分之百。这就是卡诺定理。卡诺定理。卡诺定理。卡诺定理。33 法国工程师法国工程师法国工程师法国工程师 Clapeyron(1799-1864)Clapeyron(1799-1864)把卡诺循把卡诺循把卡诺循把卡诺循环以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研环以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研环以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研环以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研究了气液平衡，究了气液平衡，究了气液平衡，究了气液平衡，导出了导出了导出了导出了克拉佩隆方程克拉佩隆方程克拉佩隆方程克拉佩隆方程。34 1843-18481843-1848年，年，年，年，英国酿酒商英国酿酒商英国酿酒商英国酿酒商 Joule Joule 用焦耳实验论述了能量守恒和转用焦耳实验论述了能量守恒和转用焦耳实验论述了能量守恒和转用焦耳实验论述了能量守恒和转化定律。化定律。化定律。化定律。焦耳的热功当量实验室焦耳的热功当量实验室焦耳的热功当量实验室焦耳的热功当量实验室热力学第一定律的实验基础。热力学第一定律的实验基础。热力学第一定律的实验基础。热力学第一定律的实验基础。Joule(1818-1889)35 18501850年，德国物理学家年，德国物理学家年，德国物理学家年，德国物理学家Clausius Clausius 指出：指出：指出：指出：Clausius(1822-1888)热不能热不能热不能热不能自动自动自动自动地从低温物体传到高温物体。地从低温物体传到高温物体。地从低温物体传到高温物体。地从低温物体传到高温物体。这个结论称为热力学第二定律。这个结论称为热力学第二定律。这个结论称为热力学第二定律。这个结论称为热力学第二定律。1854185418541854年给出了热力学第二定律的数学年给出了热力学第二定律的数学年给出了热力学第二定律的数学年给出了热力学第二定律的数学表达式；表达式；表达式；表达式；1865186518651865年提出年提出年提出年提出“熵熵熵熵”的概念。的概念。的概念。的概念。36 1851 1851 年，英国物理学家年，英国物理学家年，英国物理学家年，英国物理学家 Kelvin Kelvin 指出：指出：指出：指出：不可能从单一热源取热使之完全变为有用功不可能从单一热源取热使之完全变为有用功不可能从单一热源取热使之完全变为有用功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而不产生其他影响而不产生其他影响而不产生其他影响。Kelvin Kelvin(1824-l907)(1824-l907)这是热力学第二定律的另一种说法。这是热力学第二定律的另一种说法。这是热力学第二定律的另一种说法。这是热力学第二定律的另一种说法。37 18751875年年年年发发发发表表表表了了了了 “论论论论多多多多相相相相物物物物质质质质之之之之平衡平衡平衡平衡”的论文。的论文。的论文。的论文。Gibbs(1839-1903)他在熵函数的基础上，引出了平他在熵函数的基础上，引出了平他在熵函数的基础上，引出了平他在熵函数的基础上，引出了平衡的判据；奠定了化学热力学的重要衡的判据；奠定了化学热力学的重要衡的判据；奠定了化学热力学的重要衡的判据；奠定了化学热力学的重要基础。基础。基础。基础。38经典热力学经典热力学v无论是无论是工程热力学工程热力学还是还是化学热力学化学热力学还是还是化化工热力学，工热力学，它们均是它们均是经典热力学经典热力学，遵循遵循经经典热力学典热力学的三大定律（的三大定律（热力学第一、第二、热力学第一、第二、第三定律第三定律），不同之处是由于热力学应用不同之处是由于热力学应用的的具体对象不同具体对象不同，决定了各种热力学解决，决定了各种热力学解决问题的方法有各自的特点。问题的方法有各自的特点。39对于新工艺、新方法，用热力学事先判断它的对于新工艺、新方法，用热力学事先判断它的可行性。可行性。（可行性分析）石墨石墨金刚石？金刚石？N2+H2 NH3？H2O H2+O2？常温、常压常温、常压常温、常压常温、常压常温、常压常温、常压判据？判据？化工热力学的用途化工热力学的用途40对于实践证明是可行的工艺进对于实践证明是可行的工艺进行优化。行优化。（能量有效利用）A.A.提高产品质量。提高产品质量。如利用相图去如利用相图去除乙醇中的甲醇和水。除乙醇中的甲醇和水。B.B.节能。节能。老厂改造，增效挖潜，老厂改造，增效挖潜，能量的合理利用能量的合理利用。如美国一聚乙烯醇工厂能耗大，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，应用热力学相平衡的成果，将进料中乙醛含量由将进料中乙醛含量由0.7%降至降至0.4%后后，操作费用节省，操作费用节省50%。能量损失的形式：能量损失的形式：1。防止跑冒滴漏。防止跑冒滴漏2。不合理的工艺。不合理的工艺3。不可逆损失。不可逆损失能量能量是有品位的是有品位的。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”41多元相平衡数据多元相平衡数据是设是设计、生产操作和产品计、生产操作和产品质量控制必不可少的，质量控制必不可少的，尤其是产品众多、分尤其是产品众多、分离要求高的石油化工离要求高的石油化工更是如此。更是如此。产品分离：设备投资产品分离：设备投资5090%；能量；能量6090%。精馏塔的设计精馏塔的设计42建立建立化工热力学模型化工热力学模型，用最易测得的数据，用最易测得的数据（P、V、T、X）推算难测数据（）推算难测数据（H，S，G）；用少量实验数据加模型，得到过程开）；用少量实验数据加模型，得到过程开发中大量有用数据。发中大量有用数据。v多、快、好、省！多、快、好、省！世界上有世界上有10105 5无机物，无机物，6x106x106 6有机物，只有有机物，只有100100种纯物质的种纯物质的热力学数据研究比较透彻。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。43二、化工热力学的研究内容和安排二、化工热力学的研究内容和安排44二、化工热力学的研究内容和安排二、化工热力学的研究内容和安排45二、化工热力学的研究内容和安排二、化工热力学的研究内容和安排v1、化工热力学的研究内容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构成化工热力学研究内容的容的“三要素三要素”原理原理应用应用模型模型状态方程状态方程EOS活度系数模型活度系数模型i46方法方法：运用经典热力学的：运用经典热力学的原理原理，结合反映体系特征的，结合反映体系特征的模型模型，应用应用于解决工程中的实际问题。于解决工程中的实际问题。472、化工热力学的研究特点化工热力学的研究特点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从从容易容易获得的物性数据获得的物性数据（P、V、T、x）来推算来推算较难测定较难测定的数据的数据（y，H，S，G）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482）化工热力学的研究特点）化工热力学的研究特点A.研究体系为实际状态研究体系为实际状态B.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C.获取数据的方法：少量实验数据加半经验获取数据的方法：少量实验数据加半经验模型模型D.应用领域：解决工厂中的能量利用和平衡应用领域：解决工厂中的能量利用和平衡问题。问题。492）化工热力学的研究特点）化工热力学的研究特点a.研究体系为实际状态研究体系为实际状态化学热力学化学热力学研究的是以研究的是以理想状态理想状态为主，如理想气为主，如理想气体、理想溶液；体、理想溶液；化工热力学化工热力学研究的是研究的是实际状态实际状态。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：分子间没有相互理想气体：分子间没有相互作用，分子的体积大小可以作用，分子的体积大小可以忽略。（忽略。（压力极低压力极低）PV=nRT真实气体：分子间有相互真实气体：分子间有相互作用，分子的体积大小不作用，分子的体积大小不能忽略能忽略PV nRT50b.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）化学热力学的化学热力学的方法方法建立模型建立模型51C.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v化工热力学是用化工热力学是用少量实验数据少量实验数据加加半经验半经验模型模型模型模型，得到所需数据。尽管有误差（得到所需数据。尽管有误差（5%），但很实），但很实用，可以预测用，可以预测复杂复杂复杂复杂的物性数据。的物性数据。高压、高温、低温、多元高压、高温、低温、多元模型：模型：运用数学运用数学式来表达式来表达物物质之间相互关系。越有物理质之间相互关系。越有物理意义的模型，越准确。意义的模型，越准确。52由由Wilson模型模型计算甲醇计算甲醇-甲基乙基酮体系甲基乙基酮体系的相平衡数据的相平衡数据Wilson模型模型53D.应用领域：解决工厂中的能量利用和平衡问题。应用领域：解决工厂中的能量利用和平衡问题。v例如：合成氨厂有例如：合成氨厂有“一段转化一段转化”、“脱碳脱碳”、“甲烷化甲烷化”、“蒸汽、合成气的压缩蒸汽、合成气的压缩”等过程，如何实现全厂的能等过程，如何实现全厂的能量平衡和量平衡和有效能有效能的合理使用问题。的合理使用问题。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”54化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系化工过程示意图化工过程示意图55热力学性质热力学性质 流体的性质有热力学性质和传递性质之分。前者是指物质处于平衡状态下压力、体积、温度、组成以及其他的热力学函数，如内能、焓、热容、熵、自由能等。后者是指物质和能量传递过程的非平衡特性，如导热系数、粘度、扩散系数等。热力学原理指出：能够从易测量性质（如压力、摩尔体积、温度、组成、低压热容等）来推算较难测量的性质（如焓、内能、熵、吉氏函数、亥氏函数、热容、逸度、逸度系数、活度系数等）。56热力学基本概念回顾热力学基本概念回顾57热力学基本概念回顾热力学基本概念回顾58热力学基本概念回顾热力学基本概念回顾系统与环境物质与能量的交换封闭系统敞开系统孤立系统 强度性质与容量性质 与系统的物质量无关的性质称为强度性质，如系统的温度T、压力P等。反之，与系统中物质量的多少有关的性质称为容量性质，如系统的总体积Vt、总内能Ut等。单位质量的容量性质即为强度性质。59 系统的状态是由系统的强度性质所决定的。将确定系统所需要的强度性质称为独立变量，其数目可从相律计算。状态函数与过程函数 与系统状态变化的途径无关，仅取决于初态和终态的量称为状态函数。状态函数与系统变化途径无关的特性对系统性质变化的计算很有意义。60平衡状态与可逆过程 平衡状态是一种静止状态，系统与环境之间净流（物质和能量）为零。平衡状态的定量描述是本教材的重要内容。均相系统的平衡状态较为简单，而非均相系统的平衡状态首先表现为各相之间的相平衡。在相平衡状态下，各相之间的净流为零，各相即为平衡状态下的均相系统。可逆过程是系统经过一系列平衡状态所完成的，其功耗与沿同路径逆向完成该过程所获得的功是等量的。实际过程都是不可逆过程。可逆过程是实际过程的理想极限。61热力学过程与循环 系统的变化总是从一个平衡状态到另一个平衡状态，这种变化称为热力学过程。热力学过程可以不加任何限制，也可以使其按某一预先指定的路径进行，常见的热力学过程主要有：等温过程、等压过程、等容过程、等焓过程、等熵过程、绝热过程、可逆过程等，也可以是它们的组合。热力学循环是指系统经过某些过程后，又回到了初态。如卡诺循环是理想的热功转化循环，工业上涉及热功转换的制冷循环、动力循环等具有实际意义。本课程中将对重要的热力学循环进行定量分析。62热力学基本量纲热力学基本量纲v关于热力学SI（International System of Units)vTime,t-second,svLength,l-meter,mvMass,m-kilogram,KgvForce,F-newton,N (F=ma)vTemperature,T-Kelvin tem.,K (temperature,t-Celsius tem.,Fahrenheit tem.,)T(K)=t()+273.15 t()=1.8t()+32 63v体积,V-volume,m3(或l,ml)v压力，p-absolute pressure,MPa(atm,)v能量，E-energy,Joule,J(Nm)64三、化工热力学的局限性三、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）65三、化工热力学的局限性三、化工热力学的局限性v1、经典热力学的、经典热力学的特点特点1研究大量分子中发生的研究大量分子中发生的平均变平均变化化，并总结出具有普遍性的并总结出具有普遍性的热力学热力学基本定律。基本定律。它建筑在热力学的三个基本定它建筑在热力学的三个基本定律之上，运用数学方法，得到律之上，运用数学方法，得到宏观性质之间的依赖关系；宏观性质之间的依赖关系；v2、分子热力学、分子热力学特点特点建立在建立在大量粒子群的统大量粒子群的统计性质的基础上计性质的基础上从物质的从物质的微观结构观察微观结构观察与分析问题与分析问题，预测与解，预测与解释平衡情况下物质的宏释平衡情况下物质的宏观性质。观性质。从分子间的相互作用出从分子间的相互作用出发，建立宏观性质与微发，建立宏观性质与微观性质观性质经典热力学局限性之一：经典热力学局限性之一：不能定量预测物质的宏观性质不能定量预测物质的宏观性质不能解释微观本质及其产生某种现象不能解释微观本质及其产生某种现象的内部原因。的内部原因。66三、化工热力学的局限性三、化工热力学的局限性v3、经典热力学的、经典热力学的特点特点2：v不研究物质的结构；不研究物质的结构；v不考虑过程的细节；不考虑过程的细节；v只关心平衡问题（只关心体系的初态和终态）；只关心平衡问题（只关心体系的初态和终态）；不关心如何到达平衡。不关心如何到达平衡。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，不能解决速只能解决极限问题，不能解决速率问题率问题 经典热力学能够给出的是必要经典热力学能够给出的是必要条件而不是充分条件。条件而不是充分条件。但由热力学分析可以排除不能但由热力学分析可以排除不能发生反应的条件，因而节省了大发生反应的条件，因而节省了大量的时间和精力。量的时间和精力。67四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学v1、为何要学化工热力学？为何要学化工热力学？v答：为了解决化学产品的制备中存在两类问答：为了解决化学产品的制备中存在两类问题。题。v1）反应问题）反应问题反应物反应物A+反应物反应物B产物产物 C 或或 D 或或 E？v在给定条件下，在给定条件下，A和和B作用，能否得到作用，能否得到C？或或D？或或E？或它们的全部？或它们的全部？v如果如果制备产品制备产品C，什么是其什么是其最优条件最优条件（如压力、温度等）（如压力、温度等）？产率多少？产率多少？v1、可行性分析可行性分析2、化学反应平衡、化学反应平衡68怎样分离，才能得到纯物质怎样分离，才能得到纯物质C？v2）分离问题）分离问题含含A、B、C、D、E的混合物的混合物 纯纯C D 和和 E A 和和 B所需产品所需产品 进一步参加反应进一步参加反应 副产品副产品4、能量有效利用、能量有效利用3、相平衡问题、相平衡问题69可行性分析可行性分析v为了降低原料消耗，利用本国资源，制止环境污染为了降低原料消耗，利用本国资源，制止环境污染和不用剧毒物质作原料等，要求发展直接合成新工和不用剧毒物质作原料等，要求发展直接合成新工艺（清洁生产、绿色化工）艺（清洁生产、绿色化工）。v以乙二醇生产为例以乙二醇生产为例:v50年代采用乙烯和氯气为原料的氯醇法生产乙二醇，年代采用乙烯和氯气为原料的氯醇法生产乙二醇，主要反应有三步：主要反应有三步：乙烯乙烯+氯氯氯乙醇氯乙醇环氧乙烷环氧乙烷乙二醇乙二醇.这个方法不但流程长，辅助原料氯的成本高，而这个方法不但流程长，辅助原料氯的成本高，而且由于使用了氯，给后处理带来了许多麻烦（如且由于使用了氯，给后处理带来了许多麻烦（如腐蚀、副产盐酸问题等）。腐蚀、副产盐酸问题等）。例例1：乙二醇生产：乙二醇生产70v60年代乙烯年代乙烯直接氧化法直接氧化法在工业上得到应用，这种方在工业上得到应用，这种方法不在使用氯，主要反应有二步：法不在使用氯，主要反应有二步：乙烯乙烯环氧乙烷环氧乙烷乙二醇乙二醇v70年代由年代由乙烯直接合成乙二醇成功乙烯直接合成乙二醇成功：乙烯乙烯乙二醇乙二醇产品收率也从乙烯氧化法的产品收率也从乙烯氧化法的75%提高到提高到90%，这，这意味着每公斤乙二醇所消耗的乙烯数量比以前降意味着每公斤乙二醇所消耗的乙烯数量比以前降低了低了17%。71能量的有效利用能量的有效利用v化工生产要消耗大量的能源。石油、天然气等能源化工生产要消耗大量的能源。石油、天然气等能源不仅是化学工业的燃料，而且是生产一些重要化工不仅是化学工业的燃料，而且是生产一些重要化工产品的原料。产品的原料。v利用热力学的基本原理，对化工过程进行热力学分利用热力学的基本原理，对化工过程进行热力学分析，是热力学近三十年来最重要的进展。计算各种析，是热力学近三十年来最重要的进展。计算各种热力过程的热力过程的理想功、损耗功、有效能理想功、损耗功、有效能等，找出可以等，找出可以节能而没有能的环节和设备，然后采取措施，达到节能而没有能的环节和设备，然后采取措施，达到节能的目的。节能的目的。v对于评定新的设计方案和改进现有生产都是有效的对于评定新的设计方案和改进现有生产都是有效的手段。近来，能源紧张问题更显突出，故在流程选手段。近来，能源紧张问题更显突出，故在流程选择、设备设计中择、设备设计中往往以节能为目标函数进行优化往往以节能为目标函数进行优化，为了节能，宁可增加设备（即初始投资）为了节能，宁可增加设备（即初始投资）72v例例1：南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯：南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯v这么简单的反应方程这么简单的反应方程式用了三层楼的一个式用了三层楼的一个车间，经过很多换热车间，经过很多换热装置才完成，目的只装置才完成，目的只有一个，有一个，能量的有效能量的有效利用。利用。73v例例1：典型的石油气：典型的石油气顺序深冷分离顺序深冷分离，能量消耗较大，能量消耗较大，经过全面分析和研究，采用原料分段经过全面分析和研究，采用原料分段预冷进料、中预冷进料、中间再沸器间再沸器和其他措施，对相同规模的石油气分离装和其他措施，对相同规模的石油气分离装置可节能置可节能25%。v例例2：最杰出和典型的节能化工工程是濮阳中原化肥：最杰出和典型的节能化工工程是濮阳中原化肥厂的厂的AMV合成氨工艺，能耗从常规的合成氨工艺，能耗从常规的900 Gcal/t 降降到到590Gcal/t 氨氨。其在过程中采取了一系列的节能。其在过程中采取了一系列的节能措施，包括措施，包括热泵、热管热泵、热管系统。系统。v因此，有人认为，因此，有人认为，凡是有能量交换的地方，就有热凡是有能量交换的地方，就有热力学问题力学问题。这里的能量交换包括热、功、动能、位。这里的能量交换包括热、功、动能、位能和化学能（化学反应）的交换。能和化学能（化学反应）的交换。74四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学2、如何学好化工热力学？如何学好化工热力学？1）掌握化工热力学处理问题方法之特点）掌握化工热力学处理问题方法之特点从从局部局部的实验数据的实验数据加半经验模型加半经验模型推算系统推算系统完整完整的信的信息息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纯物质性质的推算纯物质性质的推算：从从容易容易获得的物性数据获得的物性数据（P、V、T、X）来推算来推算较难测定较难测定的数据的数据（y，H，S，G）混合物性质的推算：混合物性质的推算：从从纯物质纯物质的信息利用混合规则的信息利用混合规则求取求取混合物混合物的信息的信息以以理想态为标准态理想态为标准态加上加上校正校正来处理真实状态的方法来处理真实状态的方法75四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学 2）注意准确理解热力学概念）注意准确理解热力学概念概念抽象概念抽象规则严格规则严格咬文嚼字咬文嚼字混合物的混合物的逸度系数逸度系数纯组分纯组分i 的的逸度系数逸度系数混合物中混合物中组分组分i 的逸度系数的逸度系数76四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学3）注意单位换算）注意单位换算能量：能量：J，Cal，cm3.atm，cm3.bar压力：压力：kg/m2（工程压力），（工程压力），atm，mmHg，bar，Pa，MPa温度：温度：K，oF，4）循序渐进）循序渐进77五、本课程的内容五、本课程的内容v化工热力学着重研究热力学函数在工程中的化工热力学着重研究热力学函数在工程中的应用。用热力学函数（应用。用热力学函数（P、V、T、H、S等）等）分析某些化工过程实际上的效率问题，即达分析某些化工过程实际上的效率问题，即达到平衡的条件、状态。到平衡的条件、状态。v化工热力学是化工热力学是比较难懂比较难懂的课程，主要是计算的课程，主要是计算及其应用及其应用78五、本课程的内容五、本课程的内容v热力学数据与物性数据的研究热力学数据与物性数据的研究P、V、T、H、S、G、f、v解决化工过程所需的热、功及其传递方向，解决化工过程所需的热、功及其传递方向，解决能量合理利用问题解决能量合理利用问题 v解决解决相平衡相平衡、化学平衡化学平衡的状态，确定质量的状态，确定质量传递方向传递方向79五、本课程的内容五、本课程的内容对于模型的研对于模型的研究和建立不是究和建立不是本课程的内容本课程的内容但了解模型的但了解模型的适用范围和如适用范围和如何应用模型是何应用模型是本课程的任务本课程的任务原理原理第三章第三章 （流体的热力学性质）（流体的热力学性质）第七章第七章 （相平衡）（相平衡）第八章第八章（化学反应平衡）（化学反应平衡）应用应用第五章（能量分析）第五章（能量分析）第六章（动力和制冷循环）第六章（动力和制冷循环）第八章第八章（化学反应平衡）（化学反应平衡）模型模型第二章第二章 （状态方程（状态方程EOS）第四章第四章 （活度系数模型（活度系数模型i）80总总 结结v一、化工热力学的用途：一、化工热力学的用途：v1、可行性分析、可行性分析v2、能量有效利用、能量有效利用v3、分离工艺及设备的设计、分离工艺及设备的设计（相平衡）（相平衡）需要热力学数据，最好是连需要热力学数据，最好是连续的，而不是离散的。续的，而不是离散的。二、如何得到热力学数据二、如何得到热力学数据：v1.实验：易测实验：易测 难测难测v2.推算：推算：局部局部 完整完整 纯物质纯物质 混合物混合物常温常压常温常压 苛刻条件苛刻条件 需要模型需要模型三、模型的建立：三、模型的建立：v不同体系适合用不同的模型不同体系适合用不同的模型非极性物质极性物质聚合物大分子了解不同模型的适合范围了解不同模型的适合范围v四、了解不同模型的适合范围四、了解不同模型的适合范围 本课程的任务！本课程的任务！难难81v考试方法考试方法(1)平时成绩平时成绩30%v上课情况、平时作业、期中考试上课情况、平时作业、期中考试(2)期末考试成绩期末考试成绩70%v学好本课程的方法学好本课程的方法(1)着重于基本概念的理解，对重要的公式加以着重于基本概念的理解，对重要的公式加以 推导。推导。(2)认真做好自学，主要是阅读认真做好自学，主要是阅读 教材教材。(3)独立完成作业独立完成作业82