化工热力学课程介绍

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化工热力学,热力 学,(thermodynamics),作为一门科学(science)诞生于19世纪，最初用于研究和描述蒸汽机,(steam engine),的操作以及蒸汽机工作的极限，后来上升到热机,(heat engine),的研究和应用。“热力学”名称的本身就意味着“来自热的能量”，因为,thermo,代表热，,dynamics,代表动力。热力学在研究热机工作的基本原理过程中，总结、归纳出了著名的热力学第一定律和热力学第二定律。,热力学第一定律和热力学第二定律没有任何数学意义上的证明，它是自然界基本规律的总结，但迄今为止，没有任何人对这二个定律提出异议（除了一些科学狂人），自然界发生的过程或出现的现象也都遵循这二个定律。,热力学第一和第二定律奠定了热力学科学的理论基础。从热力学第一和第二定律出发，通过一系列数学推导，建立了一整套的热力学公式，形成了完整的热力学理论体系。这就是我们今天所认识的热力学。,伴随热力学科学的形成和发展，产生了一批著名的数学家和化学家，其中，贡献最大的是美国数学家Josiah Willard Gibbs。,Josiah Willard Gibbs(1839-1903),Josiah Willard Gibbs(1839-1903)has been reckoned as one of the greatest American scientists of the 19th century.He provided,a sound thermodynamic foundation,to much of Physical Chemistry.“Gibbs Phase Rule”is well known to all in the field today.,Yale educated,he was awarded the first Doctor of Engineering in the U.S.,and was appointed Professor of Mathematical Physics at Yale in 1871.In 1873 he published his first major works,Graphical Methods in the Thermodynamics of Fluids.In 1876 came his most famous paper:On the Equilibrium of Heterogeneous Substances.,一、为什么学化工热力学？,化工热力学与化学工程的关系,化学工程学科大致可分为两大领域，即化学反应和产物分离。化工工程师通常要面对两个问题，一是如何设计一个化学反应路线合成所需要的产品，二是如何设计一个分离装置将目的产物,（aimed product）,从化学反应体系中分离出来。化工热力学提供解决这两个问题所需要的理论知识。,在化学反应领域，化工工程师通常要解决以下的问题：用来合成目的产物的化学反应是否热力学可行？是否动力学可行？热力学可行主要指该反应能否发生，如果能发生，目的产物的产量,（the yield of the aimed product）,是否可观。化工热力学课程中的热力学第一、第二定律以及化学反应平衡,(chemical reaction equilibrium),理论就是用来解决化学反应是否热力学可行的问题。,在产物分离领域，迄今为止，常见的分离过程有精馏,(distillation),，萃取,(extraction),，结晶,（crystallization）,，,吸附,（adsorption）,等。化工工程师要会进行这些分离过程以及分离装置的设计和计算。而所有分离过程都与相平衡,（phase equilibrium）,有关，分离过程的设计和计算必须以相平衡理论为基础。比如，精馏塔的塔高计算就是根据汽-液相平衡的研究结果完成的。,另外，化工工程师还需要计算一个化工或物理过程需要的热和功。化工热力学提供了计算实际化工或物理过程需要的热和功的方法（化工过程能量分析）。,化学平衡和相平衡理论是化工热力学的重要内容。,化工热力学在化学工程中两个新的应用领域,一是应用化工热力学知识研究新兴工业中不常见的混合物的相平衡规律，比如与生物大分子的分离系统有关的相平衡；二是应用化工热力学知识指导新产品的开发，比如控制药物释放的大分子的合成、具有优异力学性能的高分子合金的设计等。,化工热力学面临的问题,化工热力学面临的最大问题：理论研究多,实际应用少。,美国 University of California,Berkeley 的Prausnitz 教授是近代化工热力学领域最著名的一位学者，下面引用他在论文“Thermodynamics and Other Chemical Engineering Sciences:Old Models for New Chemical Products and Processes”（,Fluid Phase Equilibria,158-160,1999）中的一段话，说明目前化工热力学存在的问题。,“Chemical engineering thermodynamics has many talented researchers working on a wide variety of projects.But all too often when I read erudite articles in the literature,the author seems to be saying:,“I have an answer.But I dont know the question.”,“Do the best work in Thermodynamics that you possibly can and enjoy it thoroughly.But dont lose sight of the goal.,Thermodynamics comes second.First comes Chemical Engineering,.”,John M.Prausnitz,Kenneth S.Pitzer(1914-1997),另一个近代热力学著名学者,Kenneth S.Pitzer was born in Pomona,California,in 1914.He received his B.S.in 1935 from Caltech and his Ph.D.in chemistry from UC Berkeley in 1937.He was immediately appointed to the faculty of the Department of Chemistry at Berkeley,where he spent most of his distinguished career.,Professor Pitzer took leave to serve in Washington,D.C.,during World War II and again from 1949 to 1951,when he was Director of Research for the Atomic Energy Commission.Upon returning to Berkeley,he was appointed Dean of the College of Chemistry,a position that he held until 1960.He subsequently became President first of Rice University(1961-1968)and then of Stanford University(1969-1971).In 1971,he returned to Berkeley,becoming Professor Emeritus in 1984.,Professor Pitzer was the founder of,modern theoretical chemistry,at Berkeley.He not only used quantum and statistical mechanics to explain the thermodynamic and conformational properties of molecules,but he also pioneered quantum scattering theory for describing chemical reactions at the most fundamental level.He also made contributions to relativistic effects in chemical bonding and the theory of fluids and electrolyte solutions.,二、化工热力学的主要内容,化工热力学课程主要内容,一是基本理论和基本概念。基本理论包括热力学第一定律和第二定律；二是热力学性质的计算。化工热力学在化学工程中的应用主要是通过建立数学模型来实现的。热力学性质是数学模型中的主要模型参数，只有首先计算出这些参数，才能应用模型解决问题；三是应用。这部分内容主要包括化工过程能量分析、相平衡理论和化学平衡理论。,第一章绪论,(Introduction),:介绍化工热力学学科的主要内容、研究方法以及基本概念。,第二章流体的,p,-,V,-,T,关系,(The Volumetric Properties of Fluid),:讲授真实流体的状态方程和对比态原理及其应用。,第三章纯流体热力学性质,(The Thermodynamic Properties of Pure Fluids),：讲授纯流体热力学性质的计算方法。,第四章溶液热力学性质,(The Thermodynamic properties of Solutions),：讲授溶液热力学性质的计算方法。,第五章化工过程能量分析,(The Energy Analysis for Chemical Engineering Process),:重点讲授敞开体系的热力学第一定律、熵与熵增原以及熵平衡。,第六章蒸气动力循环和制冷循环,（Steam-power Cycle and Vapor-compression Refrigeration Cycle）,：讲授蒸气动力循环和制冷循环的基本原理和主要技术指标的计算方法。,第七章相平衡,(Phase Equilibrium),：重点讲授汽液相平衡,(Vapor-Liquid Equilibrium,VLE),的基本理论和计算。,三、基本要求,1、掌握化工热力学基本理论和基本概念；2、会进行纯物质和混合物的热力学性质的计算；3、会对化工过程进行能量分析；4、会运用化工热力学基本理论对实际物理、化工过程出现的现象进行分析；5、会进行简单体系的相平衡计算。,四、教材,1 J.M.Smith,H.C.Van Ness,and M.M.Abbott.Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics,Sixth Edition,McGraw-Hill Companies,Inc.，2001(双语教学）;2 顾飞燕、陈钟秀,化工热力学,(第二版),化学工业出版社，2001。,五、参考资料,1 J.M.史密斯、H.C.范奈司,化工热力学导论，第三版，化学工业出版社，1982;2 金克新、赵传钧、马沛生,化工热力学，化学工业出版社，1990;3 李胳,化工热力学，石油