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同學(xué)們的將來職業(yè)科研、技術(shù)經(jīng)商從政第1頁/共82頁第一頁，共83頁。2利用超臨界CO2流體技術(shù)從植物/動(dòng)物中提取純天然的高附加值的物質(zhì)高附加值的天然產(chǎn)品

有櫻桃味

US$120/Ib無櫻桃味

US$14/Ib

（從櫻桃核中提取）

US$140/IbUS$14/Ib苯甲酮苯甲醇第2頁/共82頁第二頁，共83頁。3化學(xué)工程師的收入在今天的美國，最受企業(yè)歡迎的是哪個(gè)專業(yè)的畢業(yè)生？

2013年美國大學(xué)畢業(yè)生薪資排行榜第3頁/共82頁第三頁，共83頁。4Chemicalengineer很多化學(xué)工程師進(jìn)入企業(yè)高管.

世界著名化工企業(yè)

DuPont,GeneralElectric,UnionCarbide,3M,DowChemical,Exxon,BASF.第4頁/共82頁第四頁，共83頁。5化學(xué)工程能做什么？化學(xué)工程的主要目標(biāo)就是使化學(xué)家實(shí)驗(yàn)室做出來的化學(xué)反應(yīng)商品化！

10項(xiàng)頂尖成果（1983年，AIChE）1.合成橡膠（1983年，220億磅/年。二戰(zhàn)期間，及時(shí)解救了天然橡膠匱乏的困境。）2.抗生素：1918年流感奪走了全世界2000萬人的生命?；瘜W(xué)工程使青霉素的年產(chǎn)量高達(dá)百萬磅。3.聚合物：塑料在很多應(yīng)用場合能取代木頭、金屬和玻璃。第5頁/共82頁第五頁，共83頁。6化學(xué)工程能做什么？4.合成纖維。5.低溫空分生成O2

和N2。6.核同位素的分離。7.原油的催化裂解：制備高辛烷值燃料的能力在英國戰(zhàn)役和二次世界大戰(zhàn)中是一決定性因素。8.污染的控制。9.肥料尤其是合成氨：新肥料改進(jìn)了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力并幫助養(yǎng)活了全世界。10.生物醫(yī)學(xué)工程。第6頁/共82頁第六頁，共83頁。7化學(xué)工程目的:

解決化學(xué)工程原理應(yīng)用于新體系的瓶頸問題意義:

最合理地利用能源和資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人類健康第7頁/共82頁第七頁，共83頁。8化工熱力學(xué)和其它化學(xué)工程分支學(xué)科間的關(guān)系第一級(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)：過程發(fā)展吸收系統(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)算第8頁/共82頁第八頁，共83頁。9化工熱力學(xué)課程內(nèi)容第一章緒論（3學(xué)時(shí)）第二章p-V-T關(guān)系和狀態(tài)方程（6學(xué)時(shí)）第三章均相封閉系統(tǒng)熱力學(xué)原理及其應(yīng)用（9學(xué)時(shí)）第四章均相敞開系統(tǒng)熱力學(xué)及相平衡準(zhǔn)則（12學(xué)時(shí)）第五章非均相系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算（6學(xué)時(shí)）第六章流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)原理及應(yīng)用（12學(xué)時(shí)）第9頁/共82頁第九頁，共83頁。101陳新志,蔡振云,胡望明.化工熱力學(xué),北京：化學(xué)工業(yè)出版社2金克新，趙傳鈞，馬沛生.化工熱力學(xué)，天津：天津大學(xué)出版社3陳鐘秀，顧飛燕.化工熱力學(xué)，第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社教材和參考書第10頁/共82頁第十頁，共83頁。11第一章

緒論第11頁/共82頁第十一頁，共83頁。12關(guān)于化工熱力學(xué)課程化工熱力學(xué)課程是化學(xué)工程專業(yè)最重要的課程之一。是國內(nèi)外化學(xué)工程專業(yè)本科生（化工熱力學(xué)I）和研究生（化工熱力學(xué)II）必修課程。是一門訓(xùn)練邏輯思維和演繹能力的課程。是一門培養(yǎng)節(jié)約資源、合理利用能源觀點(diǎn)的課程?；崃W(xué)是“焓焓”糊糊“熵”腦筋的課程。學(xué)時(shí)48。第12頁/共82頁第十二頁，共83頁。13

化工熱力學(xué)在課程鏈上的位置第13頁/共82頁第十三頁，共83頁。14Why?1、冰箱的工作原理與空調(diào)是否相同？夏天打開冰箱門是否能當(dāng)空調(diào)？2、空調(diào)與取暖器哪個(gè)更省電？3、假酒為何會(huì)喝死人？怎樣去除酒精中的甲醇？4、為什么無水酒精的價(jià)格是95%酒精的二倍？主要是哪一部分的成本提高了？第14頁/共82頁第十四頁，共83頁。15Why?5、液化石油氣的主要成分為何是丙烷、丁烷和少量的戊烷而不是甲烷或己烷？6、酸雨對(duì)大理石雕像是否有害？第15頁/共82頁第十五頁，共83頁。16Why?7、為什么要節(jié)能？如何節(jié)能？依據(jù)是什么？全世界不可再生化石燃料的消耗占90%。中國50%的能源需要進(jìn)口。中國人均能源消費(fèi)不到世界平均水平的50%

。中國的能源利用率僅是世界平均水平的50%

。化工是耗能大戶，僅次于冶金。第16頁/共82頁第十六頁，共83頁。17新能源——可燃冰1M3“可燃冰”釋放出的能量相當(dāng)于164M3的天然氣。全球“可燃冰”總能量，是所有煤、石油、天然氣總和的2～3倍?！翱扇急钡闹饕煞质羌淄榕c水分子(CH4·H2O)。勘探需要知道：在海底下，何種溫度、壓力下會(huì)形成“可燃冰”？熱力學(xué)能解決！第17頁/共82頁第十七頁，共83頁。18二氧化碳減排的緊迫性全球氣候轉(zhuǎn)暖，導(dǎo)致南北極冰山融化，海平面已上升10到25厘米）二氧化碳地質(zhì)減排CO2-H2O體系CO2-NaCl-H2O體系CO2-NaCl-KCl-H2O體系CO2-多元電解質(zhì)-H2O體系第18頁/共82頁第十八頁，共83頁。19降低資源消耗2003年，中國消耗了全球總產(chǎn)量30%的主要能源和原材料，創(chuàng)造的GDP僅占世界的4%。如果按每1美元生產(chǎn)總值能耗，我國比發(fā)達(dá)國家能耗高4~5倍。目前，美國每萬美元耗水為514M3，日本208M3，中國5045M3，是發(fā)達(dá)國家的8~20倍。中國很多地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長速度是靠高投資、高能耗、高污染換來的。第19頁/共82頁第十九頁，共83頁。20本章內(nèi)容一、化工熱力學(xué)的目的、意義和范圍二、化工熱力學(xué)研究內(nèi)容和安排三、化工熱力學(xué)的局限性四、為何學(xué)和如何學(xué)好化工熱力學(xué)五、本課程的內(nèi)容第20頁/共82頁第二十頁，共83頁。21一、化工熱力學(xué)的目的、意義和范圍

化工熱力學(xué)Thermo-dynamics，是討論熱與功的轉(zhuǎn)化規(guī)律。經(jīng)典熱力學(xué)建立在熱力學(xué)三個(gè)基本定律之上。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，可以得到熱力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系。本課程的主要目的是運(yùn)用經(jīng)典熱力學(xué)原理來解決如下實(shí)際問題：

(1)過程進(jìn)行的可行性分析和能量有效利用；

(2)平衡問題，特別是相平衡；

(3)平衡狀態(tài)下的熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算。即流體的性質(zhì)隨著溫度、壓力、相態(tài)、組成等的變化。計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用為化工過程設(shè)計(jì)所需熱力學(xué)數(shù)據(jù)的獲取，以及模型化提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。第21頁/共82頁第二十一頁，共83頁。22一、化工熱力學(xué)的目的、意義和范圍1、化工熱力學(xué)的定義A、熱力學(xué)（Thermo-dynamics）B、工程熱力學(xué)（EngineeringThermodynamics）C、化學(xué)熱力學(xué)（ChemicalThermodynamics）D、化工熱力學(xué)（ChemicalEngineeringThermodynamics）第22頁/共82頁第二十二頁，共83頁。231、化工熱力學(xué)的定義A、熱力學(xué)（Thermo-dynamics

）——討論熱與功轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學(xué)。遠(yuǎn)古“鉆木取火”——機(jī)械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。12世紀(jì)“火藥燃燒加速箭支的飛行”19世紀(jì)“蒸汽機(jī)”——熱轉(zhuǎn)換為功。第23頁/共82頁第二十三頁，共83頁。24熱力學(xué)的四大特性⑴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(shí)際當(dāng)中才能夠行的通；熱力學(xué)證明是不可行的事情，在實(shí)際當(dāng)中無論采用什么措施，也實(shí)施不了。⑵完整性由于熱力學(xué)具有熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律第二定律：熵增原理、熱效率第三定律：絕對(duì)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(qiáng)而完整的科學(xué)。第24頁/共82頁第二十四頁，共83頁。25⑶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(shí)際生產(chǎn)中的問題，還能夠解決日常生活中的問題，甚至用于宇宙問題的研究。⑷精簡性：表現(xiàn)在熱力學(xué)能夠定性、定量地解決實(shí)際問題。第25頁/共82頁第二十五頁，共83頁。26B、工程熱力學(xué)（EngineeringThermodynamics）——將熱力學(xué)的基本理論應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域，則為工程熱力學(xué)。主要研究熱能與機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換規(guī)律以及在工程中的應(yīng)用。

特點(diǎn)：制冷、發(fā)電介質(zhì)簡單：水蒸氣、氨、氟里昂第26頁/共82頁第二十六頁，共83頁。27C、化學(xué)熱力學(xué)（ChemicalThermodynamics）—應(yīng)用熱力學(xué)來處理熱化學(xué)、相平衡和化學(xué)平衡等化學(xué)領(lǐng)域中的問題，則形成化學(xué)熱力學(xué)（是物理化學(xué)的一部分）。例1：利用熱力學(xué)的原理能計(jì)算出在何種溫度和壓力條件下，由氮和氫能合成氨，這在化肥工業(yè)上產(chǎn)生了重要影響。420～550℃

；150~1000atm例2：石墨與金剛石二者間轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度與壓力效應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算，不但預(yù)示了人工制造金剛石所需的條件，并且導(dǎo)出了關(guān)于自然界金剛石形成的地質(zhì)條件的假說。第27頁/共82頁第二十七頁，共83頁。28石墨——>金剛石？在1400℃，5-10萬大氣壓下，石墨——>金剛石第28頁/共82頁第二十八頁，共83頁。29D、化工熱力學(xué)（ChemicalEngineeringThermodynamics）——集化學(xué)熱力學(xué)和工程熱力學(xué)之大成的學(xué)科。任務(wù)是從熱力學(xué)第一、第二定律出發(fā)，研究化工過程中各種能量的相互轉(zhuǎn)化和有效利用，研究各種物理和化學(xué)變化過程中達(dá)到平衡的理論極限、條件和狀態(tài)。它是化學(xué)工程學(xué)的一個(gè)重要組成部分，是化工過程開發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的重要理論依據(jù)。第29頁/共82頁第二十九頁，共83頁。30

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)中的廣泛應(yīng)用，如何充分利用熱能來推動(dòng)機(jī)械作功成為重要的研究課題?；崃W(xué)的發(fā)展第30頁/共82頁第三十頁，共83頁。31

1798年，英國物理學(xué)家和政治學(xué)家BenjaminThompson(1753-1814)通過跑堂鉆孔實(shí)驗(yàn)開始對(duì)功轉(zhuǎn)換為熱進(jìn)行定量研究。

1799年，英國化學(xué)家HumphryDavy(1778-1829)通過冰的摩擦實(shí)驗(yàn)研究功轉(zhuǎn)換為熱。第31頁/共82頁第三十一頁，共83頁。32

1824年，法國工程師Carnot

發(fā)表了“關(guān)于火的動(dòng)力研究”的論文。

Carnot

(1796-1832)

他通過對(duì)自己構(gòu)想的理想熱機(jī)的分析得出結(jié)論：熱機(jī)必須在兩個(gè)熱源之間工作，理想熱機(jī)的效率只取決于兩個(gè)熱源的溫度，工作在兩個(gè)一定熱源之間的所有熱機(jī)，其效率都超不過可逆熱機(jī)，熱機(jī)在理想狀態(tài)下也不可能達(dá)到百分之百。這就是卡諾定理。

第32頁/共82頁第三十二頁，共83頁。33

法國工程師Clapeyron(1799-1864)把卡諾循環(huán)以解析圖的形式表示出來，并用卡諾原理研究了氣液平衡，導(dǎo)出了克拉佩隆方程。第33頁/共82頁第三十三頁，共83頁。34

1843-1848年，英國釀酒商Joule用焦耳實(shí)驗(yàn)論述了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)室熱力學(xué)第一定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

Joule

(1818-1889)

第34頁/共82頁第三十四頁，共83頁。35

1850年，德國物理學(xué)家Clausius指出：

Clausius

(1822-1888)熱不能自動(dòng)地從低溫物體傳到高溫物體。這個(gè)結(jié)論稱為熱力學(xué)第二定律。1854年給出了熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式；1865年提出“熵”的概念。第35頁/共82頁第三十五頁，共83頁。36

1851年，英國物理學(xué)家Kelvin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。Kelvin(1824-l907)這是熱力學(xué)第二定律的另一種說法。

第36頁/共82頁第三十六頁，共83頁。37

1875年發(fā)表了“論多相物質(zhì)之平衡”的論文。

Gibbs

(1839-1903)他在熵函數(shù)的基礎(chǔ)上，引出了平衡的判據(jù)；奠定了化學(xué)熱力學(xué)的重要基礎(chǔ)。第37頁/共82頁第三十七頁，共83頁。38經(jīng)典熱力學(xué)無論是工程熱力學(xué)還是化學(xué)熱力學(xué)還是化工熱力學(xué)，它們均是經(jīng)典熱力學(xué)，遵循經(jīng)典熱力學(xué)的三大定律（熱力學(xué)第一、第二、第三定律），不同之處是由于熱力學(xué)應(yīng)用的具體對(duì)象不同，決定了各種熱力學(xué)解決問題的方法有各自的特點(diǎn)。第38頁/共82頁第三十八頁，共83頁。39①對(duì)于新工藝、新方法，用熱力學(xué)事先判斷它的可行性。（可行性分析）石墨————>金剛石？N2+H2————>NH3？H2O————>H2+O2？常溫、常壓常溫、常壓常溫、常壓判據(jù)？化工熱力學(xué)的用途第39頁/共82頁第三十九頁，共83頁。40②對(duì)于實(shí)踐證明是可行的工藝進(jìn)行優(yōu)化。（能量有效利用）A.提高產(chǎn)品質(zhì)量。如利用相圖去除乙醇中的甲醇和水。B.節(jié)能。老廠改造，增效挖潛，能量的合理利用。如美國一聚乙烯醇工廠能耗大，特別是分離工段的能耗占全廠的65%，應(yīng)用熱力學(xué)相平衡的成果，將進(jìn)料中乙醛含量由0.7%降至0.4%后，操作費(fèi)用節(jié)省50%。能量損失的形式：1。防止跑冒滴漏2。不合理的工藝3。不可逆損失能量是有品位的。高溫蒸汽比低溫蒸汽有用。有用的熱量稱為有效能，也稱為“火用”第40頁/共82頁第四十頁，共83頁。41③多元相平衡數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)操作和產(chǎn)品質(zhì)量控制必不可少的，尤其是產(chǎn)品眾多、分離要求高的石油化工更是如此。產(chǎn)品分離：設(shè)備投資50~90%；能量60~90%。精餾塔的設(shè)計(jì)第41頁/共82頁第四十一頁，共83頁。42④建立化工熱力學(xué)模型，用最易測得的數(shù)據(jù)（P、V、T、X）推算難測數(shù)據(jù)（H，S，G）；用少量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加模型，得到過程開發(fā)中大量有用數(shù)據(jù)。多、快、好、??！世界上有105無機(jī)物，6x106有機(jī)物，只有100種純物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)研究比較透徹?；旌衔锏姆N類更多，更有用，但非常難測。尤其是極性物質(zhì)、聚合物體系，電解質(zhì)溶液。在高壓、低溫下的物性數(shù)據(jù)更是當(dāng)務(wù)之急。實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。第42頁/共82頁第四十二頁，共83頁。43二、化工熱力學(xué)的研究內(nèi)容和安排第43頁/共82頁第四十三頁，共83頁。44二、化工熱力學(xué)的研究內(nèi)容和安排第44頁/共82頁第四十四頁，共83頁。45二、化工熱力學(xué)的研究內(nèi)容和安排1、化工熱力學(xué)的研究內(nèi)容“原理-模型-應(yīng)用”構(gòu)成化工熱力學(xué)研究內(nèi)容的“三要素”原理應(yīng)用模型狀態(tài)方程EOS活度系數(shù)模型γi第45頁/共82頁第四十五頁，共83頁。46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)際問題。第46頁/共82頁第四十六頁，共83頁。472、化工熱力學(xué)的研究特點(diǎn)1）經(jīng)典熱力學(xué)的研究特點(diǎn)從局部的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算系統(tǒng)完整的信息從常溫常壓的物性數(shù)據(jù)來推算苛刻條件下的性質(zhì)從容易獲得的物性數(shù)據(jù)（P、V、T、x）來推算較難測定的數(shù)據(jù)（y，H，S，G）從純物質(zhì)的信息求取混合物的信息第47頁/共82頁第四十七頁，共83頁。482）化工熱力學(xué)的研究特點(diǎn)A.研究體系為實(shí)際狀態(tài)B.處理方法：以理想態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)加上校正C.獲取數(shù)據(jù)的方法：少量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虳.應(yīng)用領(lǐng)域：解決工廠中的能量利用和平衡問題。第48頁/共82頁第四十八頁，共83頁。492）化工熱力學(xué)的研究特點(diǎn)a.研究體系為實(shí)際狀態(tài)化學(xué)熱力學(xué)研究的是以理想狀態(tài)為主，如理想氣體、理想溶液；化工熱力學(xué)研究的是實(shí)際狀態(tài)。在任意溫度、壓力下，多組分的狀態(tài)。理想氣體：分子間沒有相互作用，分子的體積大小可以忽略。（壓力極低）PV=nRT真實(shí)氣體：分子間有相互作用，分子的體積大小不能忽略PV≠

nRT第49頁/共82頁第四十九頁，共83頁。50b.處理方法：以理想態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)加上校正實(shí)際結(jié)果=理想結(jié)果+校正氣體

Z（壓縮因子）氣體（逸度系數(shù)）溶液

γi（活度系數(shù)）化學(xué)熱力學(xué)的方法建立模型第50頁/共82頁第五十頁，共83頁。51C.獲取數(shù)據(jù)的方法：少量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突崃W(xué)是用少量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停玫剿钄?shù)據(jù)。盡管有誤差（5%），但很實(shí)用，可以預(yù)測復(fù)雜的物性數(shù)據(jù)。高壓、高溫、低溫、多元模型：運(yùn)用數(shù)學(xué)式來表達(dá)物質(zhì)之間相互關(guān)系。越有物理意義的模型，越準(zhǔn)確。第51頁/共82頁第五十一頁，共83頁。52由Wilson模型計(jì)算甲醇-甲基乙基酮體系

的相平衡數(shù)據(jù)Wilson模型第52頁/共82頁第五十二頁，共83頁。53D.應(yīng)用領(lǐng)域：解決工廠中的能量利用和平衡問題。例如：合成氨廠有“一段轉(zhuǎn)化”、“脫碳”、“甲烷化”、“蒸汽、合成氣的壓縮”等過程，如何實(shí)現(xiàn)全廠的能量平衡和有效能的合理使用問題。有用的熱量稱為有效能，也稱為“火用”第53頁/共82頁第五十三頁，共83頁。54化工熱力學(xué)和其它化學(xué)工程分支學(xué)科間的關(guān)系化工過程示意圖第54頁/共82頁第五十四頁，共83頁。55●熱力學(xué)性質(zhì)▲流體的性質(zhì)有熱力學(xué)性質(zhì)和傳遞性質(zhì)之分。前者是指物質(zhì)處于平衡狀態(tài)下壓力、體積、溫度、組成以及其他的熱力學(xué)函數(shù)，如內(nèi)能、焓、熱容、熵、自由能等。后者是指物質(zhì)和能量傳遞過程的非平衡特性，如導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、擴(kuò)散系數(shù)等。熱力學(xué)原理指出：能夠從易測量性質(zhì)（如壓力、摩爾體積、溫度、組成、低壓熱容等）來推算較難測量的性質(zhì)（如焓、內(nèi)能、熵、吉氏函數(shù)、亥氏函數(shù)、熱容、逸度、逸度系數(shù)、活度系數(shù)等）。

第55頁/共82頁第五十五頁，共83頁。56●熱力學(xué)基本概念回顧第56頁/共82頁第五十六頁，共83頁。57●熱力學(xué)基本概念回顧第57頁/共82頁第五十七頁，共83頁。58●熱力學(xué)基本概念回顧▲系統(tǒng)與環(huán)境→物質(zhì)與能量的交換 封閉系統(tǒng)

敞開系統(tǒng)

孤立系統(tǒng)▲強(qiáng)度性質(zhì)與容量性質(zhì)與系統(tǒng)的物質(zhì)量無關(guān)的性質(zhì)稱為強(qiáng)度性質(zhì)，如系統(tǒng)的溫度T、壓力P等。反之，與系統(tǒng)中物質(zhì)量的多少有關(guān)的性質(zhì)稱為容量性質(zhì)，如系統(tǒng)的總體積Vt、總內(nèi)能Ut等。單位質(zhì)量的容量性質(zhì)即為強(qiáng)度性質(zhì)。第58頁/共82頁第五十八頁，共83頁。59

系統(tǒng)的狀態(tài)是由系統(tǒng)的強(qiáng)度性質(zhì)所決定的。將確定系統(tǒng)所需要的強(qiáng)度性質(zhì)稱為獨(dú)立變量，其數(shù)目可從相律計(jì)算?！鵂顟B(tài)函數(shù)與過程函數(shù)與系統(tǒng)狀態(tài)變化的途徑無關(guān)，僅取決于初態(tài)和終態(tài)的量稱為狀態(tài)函數(shù)。狀態(tài)函數(shù)與系統(tǒng)變化途徑無關(guān)的特性對(duì)系統(tǒng)性質(zhì)變化的計(jì)算很有意義。第59頁/共82頁第五十九頁，共83頁。60▲平衡狀態(tài)與可逆過程

平衡狀態(tài)是一種靜止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)與環(huán)境之間凈流（物質(zhì)和能量）為零。平衡狀態(tài)的定量描述是本教材的重要內(nèi)容。均相系統(tǒng)的平衡狀態(tài)較為簡單，而非均相系統(tǒng)的平衡狀態(tài)首先表現(xiàn)為各相之間的相平衡。在相平衡狀態(tài)下，各相之間的凈流為零，各相即為平衡狀態(tài)下的均相系統(tǒng)。

可逆過程是系統(tǒng)經(jīng)過一系列平衡狀態(tài)所完成的，其功耗與沿同路徑逆向完成該過程所獲得的功是等量的。實(shí)際過程都是不可逆過程?？赡孢^程是實(shí)際過程的理想極限。第60頁/共82頁第六十頁，共83頁。61▲熱力學(xué)過程與循環(huán) 系統(tǒng)的變化總是從一個(gè)平衡狀態(tài)到另一個(gè)平衡狀態(tài)，這種變化稱為熱力學(xué)過程。熱力學(xué)過程可以不加任何限制，也可以使其按某一預(yù)先指定的路徑進(jìn)行，常見的熱力學(xué)過程主要有：等溫過程、等壓過程、等容過程、等焓過程、等熵過程、絕熱過程、可逆過程等，也可以是它們的組合。

熱力學(xué)循環(huán)是指系統(tǒng)經(jīng)過某些過程后，又回到了初態(tài)。如卡諾循環(huán)是理想的熱功轉(zhuǎn)化循環(huán)，工業(yè)上涉及熱功轉(zhuǎn)換的制冷循環(huán)、動(dòng)力循環(huán)等具有實(shí)際意義。本課程中將對(duì)重要的熱力學(xué)循環(huán)進(jìn)行定量分析。第61頁/共82頁第六十一頁，共83頁。62●熱力學(xué)基本量綱關(guān)于熱力學(xué)SI（InternationalSystemofUnits)Time,t----second,sLength,l----meter,mMass,m----kilogram,KgForce,F----newton,N(F=ma)Temperature,T----Kelvintem.,K(temperature,t----Celsiustem.,℃Fahrenheittem.,℉)T(K)=t(℃)+273.15t(℉)=1.8t(℃)+32第62頁/共82頁第六十二頁，共83頁。63體積,V----volume,m3(或l,ml)壓力，p----absolutepressure,MPa(atm,)能量，E----energy,Joule,J(N·m)第63頁/共82頁第六十三頁，共83頁。64三、化工熱力學(xué)的局限性

熱力學(xué)研究方法宏觀研究方法微觀研究方法經(jīng)典熱力學(xué)

分子熱力學(xué)（統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)）第64頁/共82頁第六十四頁，共83頁。65三、化工熱力學(xué)的局限性1、經(jīng)典熱力學(xué)的特點(diǎn)1研究大量分子中發(fā)生的平均變化，并總結(jié)出具有普遍性的熱力學(xué)基本定律。它建筑在熱力學(xué)的三個(gè)基本定律之上，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，得到宏觀性質(zhì)之間的依賴關(guān)系；2、分子熱力學(xué)特點(diǎn)建立在大量粒子群的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的基礎(chǔ)上從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)觀察與分析問題，預(yù)測與解釋平衡情況下物質(zhì)的宏觀性質(zhì)。從分子間的相互作用出發(fā)，建立宏觀性質(zhì)與微觀性質(zhì)經(jīng)典熱力學(xué)局限性之一：不能定量預(yù)測物質(zhì)的宏觀性質(zhì)不能解釋微觀本質(zhì)及其產(chǎn)生某種現(xiàn)象的內(nèi)部原因。第65頁/共82頁第六十五頁，共83頁。66三、化工熱力學(xué)的局限性3、經(jīng)典熱力學(xué)的特點(diǎn)2：不研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)；不考慮過程的細(xì)節(jié)；只關(guān)心平衡問題（只關(guān)心體系的初態(tài)和終態(tài)）；不關(guān)心如何到達(dá)平衡。經(jīng)典熱力學(xué)局限性之二：只能解決極限問題，不能解決速率問題

經(jīng)典熱力學(xué)能夠給出的是必要條件而不是充分條件。但由熱力學(xué)分析可以排除不能發(fā)生反應(yīng)的條件，因而節(jié)省了大量的時(shí)間和精力。第66頁/共82頁第六十六頁，共83頁。67四、為何學(xué)和如何學(xué)好化工熱力學(xué)1、為何要學(xué)化工熱力學(xué)？答：為了解決化學(xué)產(chǎn)品的制備中存在兩類問題。1）反應(yīng)問題反應(yīng)物A+反應(yīng)物B產(chǎn)物C或

D或

E？在給定條件下，A和B作用，能否得到C？或D？或E？或它們的全部？如果制備產(chǎn)品C，什么是其最優(yōu)條件（如壓力、溫度等）？產(chǎn)率多少？1、可行性分析2、化學(xué)反應(yīng)平衡第67頁/共82頁第六十七頁，共83頁。68怎樣分離，才能得到純物質(zhì)C？2）分離問題含A、B、C、D、E的混合物

純C

D和

E

A和B所需產(chǎn)品

進(jìn)一步參加反應(yīng)

副產(chǎn)品4、能量有效利用3、相平衡問題第68頁/共82頁第六十八頁，共83頁。69可行性分析為了降低原料消耗，利用本國資源，制止環(huán)境污染和不用劇毒物質(zhì)作原料等，要求發(fā)展直接合成新工藝（清潔生產(chǎn)、綠色化工）。以乙二醇生產(chǎn)為例:50年代采用乙烯和氯氣為原料的氯醇法生產(chǎn)乙二醇，主要反應(yīng)有三步：乙烯+氯→氯乙醇→環(huán)氧乙烷→乙二醇.這個(gè)方法不但流程長，輔助原料氯的成本高，而且由于使用了氯，給后處理帶來了許多麻煩（如腐蝕、副產(chǎn)鹽酸問題等）。例1：乙二醇生產(chǎn)第69頁/共82頁第六十九頁，共83頁。7060年代乙烯直接氧化法在工業(yè)上得到應(yīng)用，這種方法不在使用氯，主要反應(yīng)有二步：乙烯→環(huán)氧乙烷→乙二醇70年代由乙烯直接合成乙二醇成功：乙烯→乙二醇產(chǎn)品收率也從乙烯氧化法的75%提高到90%，這意味著每公斤乙二醇所消耗的乙烯數(shù)量比以前降低了17%。第70頁/共82頁第七十頁，共83頁。71能量的有效利用化工生產(chǎn)要消耗大量的能源。石油、天然氣等能源不僅是化學(xué)工業(yè)的燃料，而且是生產(chǎn)一些重要化工產(chǎn)品的原料。利用熱力學(xué)的基本原理，對(duì)化工過程進(jìn)行熱力學(xué)分析，是熱力學(xué)近三十年來最重要的進(jìn)展。計(jì)算各種熱力過程的理想功、損耗功、有效能等，找出可以節(jié)能而沒有能的環(huán)節(jié)和設(shè)備，然后采取措施，達(dá)到節(jié)能的目的。對(duì)于評(píng)定新的設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)現(xiàn)有生產(chǎn)都是有效的手段。近來，能源緊張問題更顯突出，故在流程選擇、設(shè)備設(shè)計(jì)中往往以節(jié)能為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為了節(jié)能，寧可增加設(shè)備（即初始投資）第71頁/共82頁第七十一頁，共83頁。72例1：南京塑料廠乙苯脫氫制苯乙烯這么簡單的反應(yīng)方程式用了三層樓的一個(gè)車間，經(jīng)過很多換熱裝置才完成，目的只有一個(gè)，能量的有效利用。第72頁/共82頁第七十二頁，共83頁。73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(jìn)料、中間再沸器和其他措施，對(duì)相同規(guī)模的石油氣分離裝置可節(jié)能25%。例2：最杰出和典型的節(jié)能化工工程是濮陽中原化肥廠的AMV合成氨工藝，能耗從常規(guī)的900Gcal/t降到590Gcal/t氨。其在過程中采取了一系列的節(jié)能措施，包括熱泵、熱管系統(tǒng)。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(dòng)能、位能和化學(xué)能（化學(xué)反應(yīng)）的交換。第73頁/共82頁第七十三頁，共83頁。74四、為何學(xué)和如何學(xué)好化工熱力學(xué)2、如何學(xué)好化工熱力學(xué)？1）掌握化工熱力學(xué)處理問題方法之特點(diǎn)從局部的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯扑阆到y(tǒng)完整的信息從常溫常壓的物性數(shù)據(jù)來推算苛刻條件下的性質(zhì)純物質(zhì)性質(zhì)的推算：從容易獲得的物性數(shù)據(jù)（P、V、T、X）來推算較難測定的數(shù)據(jù)（y，H，S，G）混合物性質(zhì)的推算：從純物質(zhì)的信息利用混合規(guī)則求取混合物的信息以理想態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)加上校正來處理真實(shí)狀態(tài)的方法第74頁/共82頁第七十四頁，共83頁。75四、為何學(xué)和如何學(xué)好化工熱力學(xué)

2）注意準(zhǔn)確理解熱力學(xué)概念概念抽象規(guī)則嚴(yán)格咬文嚼字混合物的逸度系數(shù)純組分i的逸度系數(shù)混合物中組分i的逸度系數(shù)第75頁/共82頁第七十五頁，共83頁。76四、為何學(xué)和如何學(xué)好化工熱力