化工热力学第一章课件精.ppt

化工热力学第一章课件第1页，本讲稿共31页苯乙烯正常沸点为苯乙烯正常沸点为418K，汽化热为，汽化热为40.31KJ/mol。若控制蒸馏。若控制蒸馏温度为温度为30，压力应控制为多少？（，压力应控制为多少？（）A、24.8KPa；B、0.12KPa；C、12.4KPa；D、1.24KPa Clausius-ClapeyronClausius-Clapeyron方程方程方程方程 克劳修斯克劳修斯克劳修斯克劳修斯-克拉佩隆方程克拉佩隆方程克拉佩隆方程克拉佩隆方程第2页，本讲稿共31页教材和参考书教材和参考书1 陈钟秀，顾飞燕陈钟秀，顾飞燕.化工热力学，化工热力学，第三版第三版.北京：化学工业出版社北京：化学工业出版社2 金克新，赵传钧，马沛生金克新，赵传钧，马沛生.化工化工热力学，天津：天津大学出版社热力学，天津：天津大学出版社3 高高高高光光光光华华华华，于于于于养养养养信信信信.化化工工热热力力学学基基本本内内容容、习习题题详解和计算程序详解和计算程序.北京：清华大学出版社北京：清华大学出版社北京：清华大学出版社北京：清华大学出版社第3页，本讲稿共31页4 陈新志陈新志,蔡振云蔡振云,胡望明胡望明.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5 Smith J M,Van Ness H C,Abbott M M.Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics,6th ed.New York:McGraw-Hill教材和参考书教材和参考书第4页，本讲稿共31页学术委员会：学术委员会：马沛生沛生 天津大学天津大学汪文川汪文川北京化工大学北京化工大学陈钟秀秀浙江大学浙江大学陆小小华南京工南京工业大学大学刘洪来刘洪来华东理工大学理工大学蒋登高蒋登高郑州大学州大学王延吉王延吉河北工河北工业大学大学陈新志新志浙江大学浙江大学任保增任保增郑州大学州大学郑丹星丹星北京化工大学北京化工大学于养信于养信清清华大学大学张乃文乃文大大连理工大学理工大学董新法董新法华南理工大学南理工大学郭郭绪强中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）陈光光进中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）化工热力学专家：化工热力学专家：化工热力学专家：化工热力学专家：第5页，本讲稿共31页 教学内容教学内容Chap 1 Chap 1 绪论绪论绪论绪论 Chap 4 Chap 4 热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用 Chap 5 Chap 5 热力循环热力循环-热力学第二定律及其应用热力学第二定律及其应用 Chap 2 Chap 2 流体的流体的PVTPVT关系：状态方程式关系：状态方程式Chap 6 Chap 6 化工过程热力学分析化工过程热力学分析Chap 7 Chap 7 溶液热力学基础溶液热力学基础溶液热力学基础溶液热力学基础Chap 3 Chap 3 纯流体的热力学性质计算纯流体的热力学性质计算第6页，本讲稿共31页chap1 绪论绪论 1.1 化工热力学的任务化工热力学的任务1.2 化工热力学的内容化工热力学的内容1.3 化工热力学的研究方法化工热力学的研究方法1.4 化工热力学的重要性化工热力学的重要性第7页，本讲稿共31页流体性质流体性质流体性质流体性质1.1 化工热力学的任务化工热力学的任务1.1.化工热力学的发展化工热力学的发展化工热力学的发展化工热力学的发展热力学性质热力学性质热力学性质热力学性质传递性质传递性质传递性质传递性质：物质处于平衡状态时：物质处于平衡状态时压力、体压力、体积、温度、组成、内能、焓、热积、温度、组成、内能、焓、热容、熵、自由能容、熵、自由能等。等。：物质或能量传递过程的非平衡：物质或能量传递过程的非平衡特性，如特性，如导热系数、粘度、扩散导热系数、粘度、扩散系数系数等。等。第8页，本讲稿共31页 热力学研究热力学研究热力学研究热力学研究能量、能量、能量、能量、以及与能量转换有关的以及与能量转换有关的以及与能量转换有关的以及与能量转换有关的能量转换能量转换能量转换能量转换物性间相互关系。物性间相互关系。物性间相互关系。物性间相互关系。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生产在生产在生产在生产中的广泛应用，如何充分利用中的广泛应用，如何充分利用中的广泛应用，如何充分利用中的广泛应用，如何充分利用热能来推动机械作功热能来推动机械作功热能来推动机械作功热能来推动机械作功成为重成为重成为重成为重要的研究课题。要的研究课题。要的研究课题。要的研究课题。第9页，本讲稿共31页 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 Thompson Benjamin Thompson(1753-1814)(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换为热进行定量功转换为热进行定量功转换为热进行定量功转换为热进行定量研究研究研究研究。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)通过冰通过冰通过冰通过冰的摩擦实验研究的摩擦实验研究的摩擦实验研究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。第10页，本讲稿共31页 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发表了发表了发表了发表了“关于火的动力研究关于火的动力研究关于火的动力研究关于火的动力研究”的论文。的论文。的论文。的论文。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能能能达达达达到到到到百百百百分分分分之之之之百百百百。这这这这就就就就是是是是卡卡卡卡诺诺诺诺定定定定理。理。理。理。第11页，本讲稿共31页 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)把卡诺循环以把卡诺循环以把卡诺循环以把卡诺循环以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研究了解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研究了解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研究了解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研究了气液平衡，气液平衡，气液平衡，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。第12页，本讲稿共31页 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化定用焦耳实验论述了能量守恒和转化定用焦耳实验论述了能量守恒和转化定用焦耳实验论述了能量守恒和转化定律。律。律。律。焦耳的热功当量实验室热力学第焦耳的热功当量实验室热力学第焦耳的热功当量实验室热力学第焦耳的热功当量实验室热力学第一定律的实验基础。一定律的实验基础。一定律的实验基础。一定律的实验基础。Joule(1818-1889)第13页，本讲稿共31页 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表年给出了热力学第二定律的数学表年给出了热力学第二定律的数学表年给出了热力学第二定律的数学表达式；达式；达式；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。第14页，本讲稿共31页 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。第15页，本讲稿共31页 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平平平衡衡衡衡”的论文。的论文。的论文。的论文。Gibbs(1839-1903)他在熵函数的基础上，引出了平衡他在熵函数的基础上，引出了平衡他在熵函数的基础上，引出了平衡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基的判据；奠定了化学热力学的重要基的判据；奠定了化学热力学的重要基的判据；奠定了化学热力学的重要基础。础。础。础。第16页，本讲稿共31页工程热力学（工程热力学（Engineering ThermodynamicsEngineering Thermodynamics）：利用热力学定律，利用热力学定律，利用热力学定律，利用热力学定律，研究热、功转化研究热、功转化研究热、功转化研究热、功转化以及提高能量转化以及提高能量转化以及提高能量转化以及提高能量转化效率的途径。效率的途径。效率的途径。效率的途径。等普遍规律。等普遍规律。等普遍规律。等普遍规律。化学热力学化学热力学（ChemicalChemical Thermodynamics Thermodynamics）：以热力学定律为基础，以热力学定律为基础，以热力学定律为基础，以热力学定律为基础，研究物质的热性质研究物质的热性质研究物质的热性质研究物质的热性质（如（如（如（如 HH、S S 等）等）等）等）化学、物理过程的方向和限度化学、物理过程的方向和限度化学、物理过程的方向和限度化学、物理过程的方向和限度（化学平衡、（化学平衡、（化学平衡、（化学平衡、相平衡）相平衡）相平衡）相平衡）第17页，本讲稿共31页化工热力学化工热力学：三个三个“E”Energy 四个四个“E”EntropyEquilibrium Chemical Engineering研究化工生产中研究化工生产中研究化工生产中研究化工生产中Energy EntropyEquilibrium 以化学热力学和工程热力学为基础，以化学热力学和工程热力学为基础，以化学热力学和工程热力学为基础，以化学热力学和工程热力学为基础，的实际问题。的实际问题。的实际问题。的实际问题。第18页，本讲稿共31页2.化工热力学的任务化工热力学的任务化工热力学化工热力学化工物性数据化工物性数据过程热力学分析过程热力学分析平衡研究平衡研究能量、熵、火用衡算能量、熵、火用衡算分析能量品味的变化分析能量品味的变化第19页，本讲稿共31页以能量相互转化为基础的内容，给出以能量相互转化为基础的内容，给出以能量相互转化为基础的内容，给出以能量相互转化为基础的内容，给出a.a.能量衡算，能量衡算，(1)(1)过程热力学分析过程热力学分析过程热力学分析过程热力学分析，能量有效利用的极限；能量有效利用的极限；能量有效利用的极限；能量有效利用的极限；计算过程实际消耗的热与功。计算过程实际消耗的热与功。c.c.分析能量品味的变化，分析能量品味的变化，为节能减排提供改进的方向。(2)(2)化工物性数据，化工物性数据，化工物性数据，化工物性数据，根据实验数据结果得出相应关联式，建立模型。根据实验数据结果得出相应关联式，建立模型。提供一些热力学图表，提供一些热力学图表，第20页，本讲稿共31页1.2 化工热力学的内容化工热力学的内容 宏观宏观经典热力学经典热力学（本课程重点）（本课程重点）如一个容器中的气体，我们研究气体的压力、温度，是整个气体的如一个容器中的气体，我们研究气体的压力、温度，是整个气体的平均行为平均行为。提供了由可测的提供了由可测的热力学量及其相互关系推算不可测的热力学热力学量及其相互关系推算不可测的热力学量量的严格的数学方法。的严格的数学方法。如化工计算中经常遇到的如化工计算中经常遇到的热和功通常采用焓变热和功通常采用焓变求得。求得。但焓不能直接测量，但可通过能直接测量的但焓不能直接测量，但可通过能直接测量的PVT关系和关系和Cp等性质来计算焓变。等性质来计算焓变。第21页，本讲稿共31页 试请教一个问题？试请教一个问题？试请教一个问题？试请教一个问题？例例例例1 1：某某某某含含含含有有有有丙丙丙丙烷烷烷烷的的的的0.5m0.5m3 3的的的的容容容容器器器器具具具具有有有有 3.7MPa 3.7MPa 的的的的耐耐耐耐压压压压极极极极限，则限，则限，则限，则127127时可充进容器的丙烷为多少时可充进容器的丙烷为多少时可充进容器的丙烷为多少时可充进容器的丙烷为多少kg?kg?应用应用（模型模型）原理原理 微观微观统计热力学统计热力学 微观和宏观微观和宏观分子热力学分子热力学第22页，本讲稿共31页过程(process)状态(state)1 1 热力学定律热力学定律热力学定律热力学定律2 2 热物理数据热物理数据热物理数据热物理数据热力学内容：热力学内容：体系吸热为正，放热为负体系吸热为正，放热为负体系得功为正，体系体系得功为正，体系 作功为负作功为负第23页，本讲稿共31页第第2章、流体的章、流体的PVT关系关系 （EOS）第第3章、纯流体热章、纯流体热力学性质的计算力学性质的计算（H、S、U难测，难测，由由EOS，Cp，Cv计算得到）计算得到）第第7章、溶液热力学基础章、溶液热力学基础（逸度、活度系数模型）（逸度、活度系数模型）第第4章热力学第一定律及应用章热力学第一定律及应用能量分析法能量分析法第第5章热力学第二定律及应用章热力学第二定律及应用 熵分析法熵分析法第第6章化工过程热力学分析章化工过程热力学分析火用火用 分析法分析法第24页，本讲稿共31页化工热力学三要素 模型模型 EOS和gi 应用应用 封闭体系 流动体系 热力学热力学原理原理 Chap2、3、4 Chap2、7 Chap3、4、5、6 基础基础目的目的应用中不可缺工具应用中不可缺工具第25页，本讲稿共31页u u1.3 1.3 化工热力学的研究方法化工热力学的研究方法 宏观方法宏观方法经典热力学方法经典热力学方法 微观方法微观方法统计热力学或分子热力学统计热力学或分子热力学宏观研究方法特点：宏观研究方法特点：将大量分子组成的体系视为一整体，研究大量分子中发生的将大量分子组成的体系视为一整体，研究大量分子中发生的平均变化，用宏观物理量来描述体系的状态，以宏观观点考察平均变化，用宏观物理量来描述体系的状态，以宏观观点考察体系间的相互作用。体系间的相互作用。通过对大量宏观现象的直接观察与实验，总结出具有普遍性的规通过对大量宏观现象的直接观察与实验，总结出具有普遍性的规律。律。由于其可靠性与严密的逻辑性，易于解决实际工程问题，化学工由于其可靠性与严密的逻辑性，易于解决实际工程问题，化学工程领域应用广泛。程领域应用广泛。第26页，本讲稿共31页宏观研究法的两种基本方法：宏观研究法的两种基本方法：（1）利用热力学函数和物质状态之间的关系，解决实际问）利用热力学函数和物质状态之间的关系，解决实际问题。题。实验易测实验易测（P、T、V、x、Cp）难测难测（S、H、G）需要模需要模型型第27页，本讲稿共31页（2）利用抽象的、概括的、理想的方法来处理问题，当用于实）利用抽象的、概括的、理想的方法来处理问题，当用于实际时，加以修正。际时，加以修正。实际过程实际过程=理想模型理想模型+校正校正实际气体：Z（压缩因子）实际气体：（逸度系数）实际溶液：（活度系数）实际气体：MR（剩余性质）实际溶液：ME（超额性质）化学热力学方法化学热力学方法建立模型建立模型第28页，本讲稿共31页1.4 化工热力学的重要性化工热力学的重要性原料原料预处理预处理反应反应粗产品粗产品产品产品精制精制三废三废1.一反一反2.传质传质3.能量传递能量传递4.提供热力学数据提供热力学数据化学反应工程化学反应工程化学反应平衡原理化学反应平衡原理化工分离过程化工分离过程相平衡原理相平衡原理热力学第一、第二定律热力学第一、第二定律化化工工热热力力学学内内容容第29页，本讲稿共31页化工热力学：化工热力学：“焓焓焓焓”糊糊糊糊“熵熵”脑筋。脑筋。1.抓住抓住Gibbs自由能这根主线。自由能这根主线。2.了解公式的推导过程，了解公式的推导过程，“提起来是一串，放下来是一堆提起来是一串，放下来是一堆”。3.掌握化工热力学掌握化工热力学“实际过程实际过程=理想模型理想模型+校正校正”的处理问题的方法。的处理问题的方法。4.注意准确理解热力学严谨的概念，重要公式加以推导。注意准确理解热力学严谨的概念，重要公式加以推导。5.注意单位的换算。（建议均采用国际单位）注意单位的换算。（建议均采用国际单位）如何学好本课程：如何学好本课程：6.做好笔记。做好笔记。第30页，本讲稿共31页作业要求与考核方式作业：每个同学必须独立完成作业 每周一上课前收作业(学习委员统一收齐)考试：闭卷考试最终成绩评定：平时：约30（上课情况、平时作业）考试：约70第31页，本讲稿共31页