化工热力学第一章.ppt
化工热力学化工热力学Chemical Engineering Thermodynamics主讲：庄艳歆主讲：庄艳歆东北大学东北大学EPMEPM实验室实验室课时：课时：48学时学时教材和参考书1 陈陈钟钟秀秀,顾顾飞飞燕燕，胡胡望望明明.化化工工热热力力学学,第第二二版版.北京北京:化学工业出版社化学工业出版社,20012 陈陈钟钟秀秀,顾顾飞飞燕燕.化化工工热热力力学学例例题题与与习习题题.北北京京:化学工业出版社化学工业出版社,19983 高高光光学学，童童景景山山，化化工工热热力力学学，第第2版版，清清华华大学出版社，大学出版社，20074 J.M.Smith等等著著，刘刘洪洪来来等等译译，化化工工热热力力学学导论，化学工业出版社，导论，化学工业出版社，2008 教学内容第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 流体的流体的 P-V-T P-V-T 关系关系第三章第三章 纯流体的热力学性质纯流体的热力学性质第四章第四章 流体混合物的热力学性质流体混合物的热力学性质第五章第五章 化工过程的能量分析化工过程的能量分析第七章第七章 相平衡相平衡第十章第十章 化学反应平衡化学反应平衡第一章 绪论 化工化工热力学概念热力学概念 化工热力学的基本内容化工热力学的基本内容热力学的研究方法热力学的研究方法学习目的和要求学习目的和要求热力学基本定律热力学基本定律第一章 绪论-化工热力学概念1.1.热力学（热力学（ThermodynamicsThermodynamics）主要研究热现象和能量转换的.热力学是以宏观体系作为自己的研究对象,就内容而言,它涉及到热机的效率,能量的利用,各种物理、化学乃至生命过程的能量转换,以及这些过程在指定条件下有没有发生的可能性。第一章 绪论-化工热力学概念四大特征四大特征（1 1）严密性）严密性:表现在热力学具有严格的理论基础。表现在热力学具有严格的理论基础。（2 2）完整性）完整性:是由于热力学具有热力学第一定律、热力是由于热力学具有热力学第一定律、热力学第二定律、学第二定律、热力学第三定律和零定律。热力学第三定律和零定律。（3 3）普遍性）普遍性:普遍性表现在热现象在日常生活中必不可普遍性表现在热现象在日常生活中必不可缺少。缺少。（4 4）精简性）精简性:表现在热力学能够定性、定量地解决实际表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题。问题。1.热力学（热力学（Thermodynamics）第一章 绪论-化工热力学概念2.2.热力学的分支热力学的分支（1 1）工程热力学（）工程热力学（Engineering ThermodynamicsEngineering Thermodynamics）主要研究功、热转化，以及能量利用率的高低。主要研究功、热转化，以及能量利用率的高低。（2 2）化学热力学（）化学热力学（Chemical ThermodynamicsChemical Thermodynamics）应用热力学原理研究有关化学中各类平衡问题。主要侧重于应用热力学原理研究有关化学中各类平衡问题。主要侧重于热力学函数的计算，主要是热力学函数的计算，主要是H H、S S、U U、F F和和G G的计算。的计算。（3 3）化工热力学化工热力学（Chemical Engineering ThermodynamicsChemical Engineering Thermodynamics）研究在化学工程中的热力学问题。主要侧重于工程计算。以热研究在化学工程中的热力学问题。主要侧重于工程计算。以热力学第一定律、第二定律为主要内容，既要解决化工过程中的各种力学第一定律、第二定律为主要内容，既要解决化工过程中的各种能量的相互转化和有效利用问题，也解决相际间质量传递与化学反能量的相互转化和有效利用问题，也解决相际间质量传递与化学反应的方向与限度等问题。应的方向与限度等问题。（4 4）统计热力学统计热力学（Statistical ThermodynamicsStatistical Thermodynamics）从微观角度出发研究过程的热现象。从微观角度出发研究过程的热现象。第一章 绪论-化工热力学概念2.2.热力学的分支热力学的分支工程热力学工程热力学化学热力学化学热力学化工热力学化工热力学经典热力学经典热力学经典热力学本身不能计算化学或物理过程的速率，它提供了宏观性质的公式，不可能揭示过程的微观机理。第一章 绪论-化工热力学概念2.2.热力学的分支热力学的分支统计热力学统计热力学分子热力学分子热力学分子热力学从微观角度，将经典热力学、统计物理、量子力学及有限的实验数据结合起来，通过建立数学模型、拟合模型参数，对实际系统热力学性质进行计算与预测。其所建立的模型只是实际结构的近似描写，应用于复杂分子、高压下的气体或液体等系统中困难较大，就工程应用而言，还有一定的局限性。第一章 绪论-化工热力学概念3.3.化工热力学在化学工程中的地位化工热力学在化学工程中的地位产品产品原料原料反应反应分离提纯分离提纯工艺学工艺学反应工程反应工程分离工程分离工程化工动力学化工动力学催化工程催化工程化工热力学化工热力学能量的合理利用能量的合理利用物质的有效分离与提纯物质的有效分离与提纯选择反应工艺条件，设计反应器选择反应工艺条件，设计反应器确定分离、提纯方法，设计分离设备确定分离、提纯方法，设计分离设备测量、关联与推算不同条件下物质测量、关联与推算不同条件下物质的平衡性质。的平衡性质。为能量的有效利用、减少损耗、达为能量的有效利用、减少损耗、达到节能的目的提高理论基础。到节能的目的提高理论基础。相平衡理论为选择反应工艺条件，相平衡理论为选择反应工艺条件，设计合理的反应器提供基础设计合理的反应器提供基础物性及热力学性质是化学工艺设计物性及热力学性质是化学工艺设计中不可缺少的基础数据。中不可缺少的基础数据。第一章 绪论-化工热力学的基本内容四大部分内容四大部分内容热力学基本定律热力学微分方程热力学状态函数相平衡化学反应平衡过程热力学分析热力学基础数据P,V,T，Cp，Cv实际部分理论部分第一章 绪论-热力学的研究方法两种：宏观研究法和两种：宏观研究法和 微观研究法微观研究法宏观研究法（重点）有两种最基本的方法宏观研究法（重点）有两种最基本的方法（1）利用利用热力学函数和物质状态之间的热力学函数和物质状态之间的关关系系，解决实际问题。解决实际问题。V,如：已知如：已知 T,P第一章 绪论-热力学的研究方法（2）利用利用抽象的、概括的、理想的抽象的、概括的、理想的方法方法来来处理理问题，当用，当用 于于实际时，加以修正。，加以修正。如：理想气体如：理想气体 PV=RT 实际气体实际气体 PV=ZRT 剩余性质剩余性质 MR=M-M*=实际的实际的-理想的理想的 (气体）气体）超额性质超额性质 ME=M-Mid=实际的实际的-理想的（液体）理想的（液体）修正修正项：Z，MR，ME第一章 绪论-学习目的和要求 目的目的 （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）提高利用化工热力学的观点、方法来分）提高利用化工热力学的观点、方法来分析、解决化工生产、工程设计、科学研究中有关析、解决化工生产、工程设计、科学研究中有关实际问题的能力。实际问题的能力。（3）锻炼和培养合作精神、自学能力和分析）锻炼和培养合作精神、自学能力和分析解决问题的能力。解决问题的能力。第一章 绪论-学习目的和要求 要求（要求（四个）四个）要明确各章节的作用，即解决什么问题，得出什要明确各章节的作用，即解决什么问题，得出什么结论。么结论。要掌握化工热力学的研究方法（两种方法）。要掌握化工热力学的研究方法（两种方法）。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。作业步骤清晰，思路明确，计算基准、单位要妥作业步骤清晰，思路明确，计算基准、单位要妥当。当。第一章 绪论-学习目的和要求 措施措施1.着重于基本概念的理解，对重要的公式加着重于基本概念的理解，对重要的公式加以推导。以推导。2.作业要做，独立完成。作业要做，独立完成。3.结成小组，每个小组要讲解一部分内容，结成小组，每个小组要讲解一部分内容，其他同学要提出相关的问题其他同学要提出相关的问题（1）内能）内能 U 物质内部所具有的能量的总和。包物质内部所具有的能量的总和。包 括物质内部由括物质内部由于分子热运动所形成的内动能；分子间相互作用的内于分子热运动所形成的内动能；分子间相互作用的内位能；分子内原子、原子核、电子等各种粒子运动以位能；分子内原子、原子核、电子等各种粒子运动以及粒子间相互作用而形成的分子内能量等。不包括物及粒子间相互作用而形成的分子内能量等。不包括物质整体的动能与位能。内能只与物质内部结构以及所质整体的动能与位能。内能只与物质内部结构以及所处的状态有关。处的状态有关。（2）动能）动能 质量为质量为m(kg)的物质，以的物质，以u(ms-1)的速率运动，所具的速率运动，所具有的动能为有的动能为1/2 m u2(J)。第一章 绪论-热力学基本概念与定律l 能量的形式能量的形式（3）位能）位能 质量为质量为m(kg)的物质，所处高度若在基准面之上的物质，所处高度若在基准面之上Z(m)时，它所具有作功能力时，它所具有作功能力位能位能mgZ(J)。（4）热）热Q与功与功W 热与功是在传递过程中才能表现出的两种能量形热与功是在传递过程中才能表现出的两种能量形式。它们不能贮存在系统之内。系统与环境间由于式。它们不能贮存在系统之内。系统与环境间由于温差而传递的能量称为热温差而传递的能量称为热 Q。吸热为正，放热为负。吸热为正，放热为负。在除温差之外的其他推动力影响下，系统与环境间在除温差之外的其他推动力影响下，系统与环境间传递的能量称为功传递的能量称为功 W。化工热力学中常限体积功，。化工热力学中常限体积功，系统对环境做功为负，得功为正。系统对环境做功为负，得功为正。第一章 绪论-热力学基本定律(1)系统与环境系统与环境 热力学研究对象即为系统（热力学研究对象即为系统（system),其余的为环境其余的为环境（surroundings).封闭系统封闭系统（Closed system):系统与环境间只有能量交换，无物质交换。系统与环境间只有能量交换，无物质交换。敞开系统敞开系统（Opening system):系统与环境间有能量交换，也有物质交换。系统与环境间有能量交换，也有物质交换。孤立孤立系统系统（Isolated system):系统与环境间无能量交换，也无物质交换。系统与环境间无能量交换，也无物质交换。(2)热力学性质热力学性质 物质的性质分为热力学性质和传递性质。热力学性质是指物质处于平物质的性质分为热力学性质和传递性质。热力学性质是指物质处于平衡状态下压力衡状态下压力p、体积、体积V、温度、温度T、物质的量、物质的量ni及其他的热力学函数（内及其他的热力学函数（内能能U、焓、焓H、熵、熵S等）之间的变化规律。传递性质指物质与能量传递过等）之间的变化规律。传递性质指物质与能量传递过程的非平衡特性，如热导率，扩散系数和黏度等。程的非平衡特性，如热导率，扩散系数和黏度等。(3)状态函数和过程函数状态函数和过程函数 与系统状态变化的途径无关，仅取决于初态和终态的量为状态函数。与系统状态变化的途径无关，仅取决于初态和终态的量为状态函数。与系统状态变化的途径有关的量为过程函数，如热和功。与系统状态变化的途径有关的量为过程函数，如热和功。第一章 绪论-热力学基本概念及定律l热力学基本概念热力学基本概念(4)平衡状态与可逆状态平衡状态与可逆状态 平衡状态是一种相对静止的状态，此时，系统与环平衡状态是一种相对静止的状态，此时，系统与环境之间净流（物质和能量）为零。境之间净流（物质和能量）为零。可逆状态是系统经过一系列平衡状态所完成的，其可逆状态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。功耗与沿同路径逆向完成该过程所获得的功是等量的。(5)热力学过程与循环热力学过程与循环 经典热力学中，系统的变化是从一个平衡状态到另一经典热力学中，系统的变化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。如：恒温过程、个平衡状态，这种变化称为热力学过程。如：恒温过程、恒压过程、恒焓过程、恒熵过程、绝热过程等等恒压过程、恒焓过程、恒熵过程、绝热过程等等 热力学循环是指系统经过某些过程后，又回到了初态热力学循环是指系统经过某些过程后，又回到了初态第一章 绪论-热力学基本概念及定律1122Z1Z2WSQ敞开体系敞开体系当有单位物质进入并离开当有单位物质进入并离开系统，设单位质量物质带系统，设单位质量物质带入、带出的能量分别为入、带出的能量分别为E1，E2，系统中积累的能量，系统中积累的能量为为E，则，则E1E2QWE (1)单位质量带入带出的能量有：单位质量带入带出的能量有：内能：内能：U U1 1，U U2 2；位能：；位能：gzgz1 1，gzgz2 2 动能：动能：u u1 12 2/2/2，u u2 22 2/2/2l 热力学第一定律-能量守恒定律第一章 绪论-热力学基本定律系统系统与环境交换的能量有：热与环境交换的能量有：热Q、功、功W将各已知项代入（将各已知项代入（1 1）整理整理(2)第一章 绪论-热力学基本定律热力学第一定律对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功WsWs和流和流动功之动功之和和 W=WS+p1V1-p2V2 (3)得到：得到：(5)第一章 绪论-热力学基本定律热力学第一定律(4)根据焓的定义根据焓的定义 H=U+pV式（式（2）、（）、（4）、（）、（5）都是热力学第一定律的一）都是热力学第一定律的一般方程式。般方程式。第一章 绪论-热力学基本定律热力学第一定律封闭体系封闭体系：系统和环境没有质量交换，式（系统和环境没有质量交换，式（1 1）中因有质量进、）中因有质量进、出系统而引起的能量变化项为零，则：出系统而引起的能量变化项为零，则：E是系统由始态至终态交换了热和功，而引起系统是系统由始态至终态交换了热和功，而引起系统能量的变化，即系统内能的变化。因此，封闭系能量的变化，即系统内能的变化。因此，封闭系统热力学第一定律的数学表达式为：统热力学第一定律的数学表达式为：(6)第一章 绪论-热力学基本定律热力学第一定律稳定流动过程：稳定流动过程：系统在各个位置上，物料状态与流量有完全确定的系统在各个位置上，物料状态与流量有完全确定的数值，不随时间而改变。系统内不会有能量积累或数值，不随时间而改变。系统内不会有能量积累或亏损。亏损。E=0=0(8)或或(7)l 热力学第一定律应用第一章 绪论-热力学基本定律热力学第一定律应用 流体流经反应器、换热器、传质设备等：流体流经反应器、换热器、传质设备等：不作轴功，不作轴功，WS=0；流体进出口动能、位能可忽；流体进出口动能、位能可忽略，则式（略，则式（8）变为）变为说明对于稳定流动过程热衡计算时，如果说明对于稳定流动过程热衡计算时，如果WS=0，则可以利用系统的焓变确定过程的热量则可以利用系统的焓变确定过程的热量Q。(9(9)第一章 绪论-热力学基本定律热力学第一定律应用 流体流经泵、压缩机、鼓风机等设备：流体流经泵、压缩机、鼓风机等设备：可以忽略流体进出口动能、位能，则式（可以忽略流体进出口动能、位能，则式（8 8）变为）变为如果设备散热很慢，则如果设备散热很慢，则Q=0。(10)(11)可以利用焓变计算设备轴功。可以利用焓变计算设备轴功。第一章 绪论-热力学基本定律热力学第一定律应用流体在喷管中进行绝热稳定流动：流体在喷管中进行绝热稳定流动：因为喷管进、出口截面积变化较大，动能的变因为喷管进、出口截面积变化较大，动能的变化不能忽略。位能变化可以忽略，则式（化不能忽略。位能变化可以忽略，则式（8 8）变）变为为(12)(12)说明系统动能的增加，等于其焓值的减少。说明系统动能的增加，等于其焓值的减少。第一章 绪论-热力学基本定律热力学第一定律应用例例1 1：303K303K的空气，以的空气，以10m10ms-1的速率流过一垂直安装的速率流过一垂直安装的热交换器，被加热至的热交换器，被加热至423K。若换热器进出口管截。若换热器进出口管截面积相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高面积相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为度为3m，空气的恒压热容，空气的恒压热容Cp=1.005Jkg K-1。求。求100kg空气从换热器吸收的热量。空气从换热器吸收的热量。(8)第一章 绪论-热力学基本定律热力学第一定律应用将空气当成理想气体，将空气当成理想气体，PV=RTPV=RT则则空气流经换热器所吸收的热量，主要用于增加空气的空气流经换热器所吸收的热量，主要用于增加空气的焓值。动能与位能的增量，完全可以忽略不计。焓值。动能与位能的增量，完全可以忽略不计。第一章 绪论-热力学基本定律热力学第一定律应用例例2 2：空气通过水平喷管，终速达到：空气通过水平喷管，终速达到335m335ms-1，若，若忽略其初速，试问空气的温度降为多少？假设空忽略其初速，试问空气的温度降为多少？假设空气是理想气体，其气是理想气体，其Cp=1.005Jkg K-1。空气在水平管中流动，空气在水平管中流动，z=0=0，流速很快，热量，流速很快，热量来不及传递，来不及传递，Q=0Q=0，流动过程中不作轴功，流动过程中不作轴功，Ws=0Ws=0。第一章 绪论-热力学基本定律热力学第一定律应用若忽略初速，则若忽略初速，则l 热力学第二定律第一章 绪论-热力学基本定律以循环过程方式表达以循环过程方式表达开尔文开尔文(Kelvin)“不可能从单一热源吸取热量，不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功，而不产生其它影响使之完全变为有用的功，而不产生其它影响”。“第二永动机是无法实现第二永动机是无法实现的的”。1 1l 热力学第二定律第一章 绪论-热力学基本定律热力学第二定律以热流方式表达以热流方式表达克劳修斯（克劳修斯（Clausius）“热不能自发地由低温热不能自发地由低温物体传到高温物体物体传到高温物体”。说明不可逆过程有一个说明不可逆过程有一个明确的方向。明确的方向。不可逆不可逆可逆可逆l 热力学第二定律应用第一章 绪论-热力学基本定律热力学第二定律应用例例3 3：一个重：一个重40kg40kg的铸钢件，温度的铸钢件，温度723K723K，浸入，浸入150kg150kg、298K298K的油中进行淬火。若没有热量损失，的油中进行淬火。若没有热量损失，试求（试求（a a）铸钢件的熵变；（）铸钢件的熵变；（b b）油的熵变；（）油的熵变；（c c）铸钢件与油的总熵变。已知铸钢件与油的总熵变。已知Cp钢钢=0.5Jg-1 K-1。Cp油油=2.5Jg-1 K-1。设油的终温为设油的终温为T T。利用油与铸钢件的能量衡算得。利用油与铸钢件的能量衡算得400.5（T-723）+1502.5（T-298）=0T=319 K第一章 绪论-热力学基本定律热力学第二定律应用（a a）铸钢件熵变）铸钢件熵变（b b）油熵变）油熵变（c c）总熵变）总熵变S总总=9.8kJK-10第一章 绪论-热力学基本定律热力学第二定律应用例例4：稳定流动的氮气通过绝热管上安装的阀门。：稳定流动的氮气通过绝热管上安装的阀门。如果氮气的温度为如果氮气的温度为298K，阀门部分开启，阀门下，阀门部分开启，阀门下游的压力是游的压力是1105Pa，试求（，试求（1）阀门上游压力为）阀门上游压力为2105Pa时，下游温度及过程总熵变；（时，下游温度及过程总熵变；（2）阀门）阀门上游压力为上游压力为6105Pa时，下游温度及过程总熵变时，下游温度及过程总熵变。压力不高可视为理想气体。根据稳定流动过程压力不高可视为理想气体。根据稳定流动过程热力学第一定律，忽略动能、位能变化热力学第一定律，忽略动能、位能变化 因为因为Q=0、Ws=0，则，则H=0第一章 绪论-热力学基本定律热力学第二定律应用流体流经部分开启的阀门为等焓过程。流体流经部分开启的阀门为等焓过程。（a）理想气体，焓只是温度的函数，故）理想气体，焓只是温度的函数，故T仍为仍为298K因为流过绝热管，故因为流过绝热管，故S S环境环境=0=0S S总总=5.76Jmol-1K-1第一章 绪论-热力学基本定律热力学第二定律应用流体流经部分开启的阀门为等焓过程。流体流经部分开启的阀门为等焓过程。S S环境环境=0=0（b b）下游温度仍然是）下游温度仍然是298K298KS S总总=14.9Jmol-1K-10第一章 绪论-热力学基本定律热力学第二定律应用例例5：欲设计一热机，从温度为：欲设计一热机，从温度为400 K处吸收处吸收25 kJs-1热量，在温度为热量，在温度为200 K出放出出放出12 kJs-1的热量，并的热量，并提供提供15kW的机械功。试问所定指标能否实现。的机械功。试问所定指标能否实现。根据热力学第一定律，热机完成一个循环根据热力学第一定律，热机完成一个循环U=0 W=Q1-Q2=13 kJs-1(不符合第一定律不符合第一定律)(不符合第二定律不符合第二定律)
