第一章绪论化工热力学(陈新志).

1化工热力学ChemicalEngineeringThermodynamics2同学们的将来职业科研、技术经商从政3利用超临界CO2流体技术从植物/动物中提取纯天然的高附加值的物质CH2OHCHO高附加值的天然产品有樱桃味US$120/Ib无樱桃味US$14/Ib（从樱桃核中提取）US$140/IbUS$14/Ib苯甲酮苯甲醇4化学工程师的收入在今天的美国，最受企业欢迎的是哪个专业的毕业生？2013年美国大学毕业生薪资排行榜5Chemicalengineer很多化学工程师进入企业高管.世界著名化工企业DuPont,GeneralElectric,UnionCarbide,3M,DowChemical,Exxon,BASF.6化学工程能做什么？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！10项顶尖成果（1983年，AIChE）1.合成橡胶（1983年，220亿磅/年。二战期间，及时解救了天然橡胶匮乏的困境。）2.抗生素：1918年流感夺走了全世界2000万人的生命。化学工程使青霉素的年产量高达百万磅。3.聚合物：塑料在很多应用场合能取代木头、金属和玻璃。7化学工程能做什么？4.合成纤维。5.低温空分生成O2和N2。6.核同位素的分离。7.原油的催化裂解：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。8.污染的控制。9.肥料尤其是合成氨：新肥料改进了农业的生产力并帮助养活了全世界。10.生物医学工程。8化学工程目的:解决化学工程原理应用于新体系的瓶颈问题意义:最合理地利用能源和资源、保护生态环境和人类健康科学基础化学（反应，溶液）物理（量子，统计）数学（模拟，优化）应用基础化学工程实际工业体系相互作用复杂非电解质溶液相平衡传递性质电解质溶液界面性质复杂体系混合电解质、混合溶剂极端环境高浓度、高温、多组分多相反应过程复杂预测和集成应用技术，工艺化学工业有机和石油能源材料生化环境9化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系第一级：物性常数和热力学性质计算第二级：平衡计算第三级：“三传一反”第四级：设备设计第五级：流程配置第六级：过程发展吸收系统模拟反应系统模拟精馏系统模拟吸收塔计算反应器计算精馏塔计算换热器计算反应速度计算传质计算流体力学计算传热计算相平衡计算反应平衡计算热平衡计算物料平衡计算露点泡点计算全流程的最佳化设计和控制表面张力计算导热系数计算密度计算焓的计算粘度计算10化工热力学课程内容第一章绪论（3学时）第二章p-V-T关系和状态方程（6学时）第三章均相封闭系统热力学原理及其应用（9学时）第四章均相敞开系统热力学及相平衡准则（12学时）第五章非均相系统的热力学性质计算（6学时）第六章流动系统的热力学原理及应用（12学时）111陈新志,蔡振云,胡望明.化工热力学,北京：化学工业出版社2金克新，赵传钧，马沛生.化工热力学，天津：天津大学出版社3陈钟秀，顾飞燕.化工热力学，第三版.北京：化学工业出版社教材和参考书12第一章绪论13关于化工热力学课程化工热力学课程是化学工程专业最重要的课程之一。是国内外化学工程专业本科生（化工热力学I）和研究生（化工热力学II）必修课程。是一门训练逻辑思维和演绎能力的课程。是一门培养节约资源、合理利用能源观点的课程。化工热力学是“焓焓”糊糊“熵”脑筋的课程。学时48。14化工热力学在课程链上的位置15Why?1、冰箱的工作原理与空调是否相同？夏天打开冰箱门是否能当空调？2、空调与取暖器哪个更省电？3、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95%酒精的二倍？主要是哪一部分的成本提高了？16Why?5、液化石油气的主要成分为何是丙烷、丁烷和少量的戊烷而不是甲烷或己烷？6、酸雨对大理石雕像是否有害？17Why?7、为什么要节能？如何节能？依据是什么？全世界不可再生化石燃料的消耗占90%。中国50%的能源需要进口。中国人均能源消费不到世界平均水平的50%。中国的能源利用率仅是世界平均水平的50%。化工是耗能大户，仅次于冶金。18新能源——可燃冰1M3“可燃冰”释放出的能量相当于164M3的天然气。全球“可燃冰”总能量，是所有煤、石油、天然气总和的2～3倍。“可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子(CH4·H2O)。勘探需要知道：在海底下，何种温度、压力下会形成“可燃冰”？热力学能解决！19二氧化碳减排的紧迫性全球气候转暖，导致南北极冰山融化，海平面已上升10到25厘米）二氧化碳地质减排CO2-H2O体系CO2-NaCl-H2O体系CO2-NaCl-KCl-H2O体系CO2-多元电解质-H2O体系20降低资源消耗2003年，中国消耗了全球总产量30%的主要能源和原材料，创造的GDP仅占世界的4%。如果按每1美元生产总值能耗，我国比发达国家能耗高4~5倍。目前，美国每万美元耗水为514M3，日本208M3，中国5045M3，是发达国家的8~20倍。中国很多地区的经济增长速度是靠高投资、高能耗、高污染换来的。21本章内容一、化工热力学的目的、意义和范围二、化工热力学研究内容和安排三、化工热力学的局限性四、为何学和如何学好化工热力学五、本课程的内容22一、化工热力学的目的、意义和范围化工热力学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。本课程的主要目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。23一、化工热力学的目的、意义和范围1、化工热力学的定义A、热力学（Thermo-dynamics）B、工程热力学（EngineeringThermodynamics）C、化学热力学（ChemicalThermodynamics）D、化工热力学（ChemicalEngineeringThermodynamics）241、化工热力学的定义A、热力学（Thermo-dynamics）——讨论热与功转化规律的科学。远古“钻木取火”——机械能转换为内能。12世纪“火药燃烧加速箭支的飞行”19世纪“蒸汽机”——热转换为功。25热力学的四大特性⑴严密性：表现在热力学具有严格的理论基础。热力学证明是可以行通的事情，在实际当中才能够行的通；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，也实施不了。⑵完整性由于热力学具有热力学第一定律：能量守恒定律􀂄第二定律：熵增原理、热效率􀂄第三定律：绝对熵定律􀂄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。26⑶普遍性：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。⑷精简性：表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题。27B、工程热力学（EngineeringThermodynamics）——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。主要研究热能与机械能之间转换规律以及在工程中的应用。特点：制冷、发电介质简单：水蒸气、氨、氟里昂28C、化学热力学（ChemicalThermodynamics）—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，则形成化学热力学（是物理化学的一部分）。例1：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，这在化肥工业上产生了重要影响。420～550℃；150~1000atm例2：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。29石墨——金刚石？PPTTTPTPTPdPPGdTTGGGdPPGdTTGGddPPGdTTGdGPTGatmKkJmolG101325.15.2980101?),(,1,15.298,09.2其它条件下的下不可行在在1400℃，5-10万大气压下，石墨——金刚石30D、化工热力学（ChemicalEngineeringThermodynamics）——集化学热力学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，研究化工过程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，是化工过程开发、设计和生产的重要理论依据。31从十八世纪末到十九世纪初开始，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，如何充分利用热能来推动机械作功成为重要的研究课题。化工热力学的发展321798年，英国物理学家和政治学家BenjaminThompson(1753-1814)通过跑堂钻孔实验开始对功转换为热进行定量研究。1799年，英国化学家HumphryDavy(1778-1829)通过冰的摩擦实验研究功转换为热。331824年，法国工程师Carnot发表了“关于火的动力研究”的论文。Carnot(1796-1832)他通过对自己构想的理想热机的分析得出结论：热机必须在两个热源之间工作，理想热机的效率只取决于两个热源的温度，工作在两个一定热源之间的所有热机，其效率都超不过可逆热机，热机在理想状态下也不可能达到百分之百。这就是卡诺定理。34法国工程师Clapeyron(1799-1864)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气液平衡，dpHdTTV导出了克拉佩隆方程。351843-1848年，英国酿酒商Joule用焦耳实验论述了能量守恒和转化定律。焦耳的热功当量实验室热力学第一定律的实验基础。Joule(1818-1889)UQW361850年，德国物理学家Clausius指出：Clausius(1822-1888)热不能自动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。1854年给出了热力学第二定律的数学表达式；1865年提出“熵”的概念。371851年，英国物理学家Kelvin指出：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。Kelvin(1824-l907)这是热力学第二定律的另一种说法。381875年发表了“论多相物质之平衡”的论文。Gibbs(1839-1903)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础。39经典热力学无论是工程热力学还是化学热力学还是化工热力学，它们均是经典热力学，遵循经典热力学的三大定律（热力学第一、第二、第三定律），不同之处是由于热力学应用的具体对象不同，决定了各种热力学解决问题的方法有各自的特点。40①对于新工艺、新方法，用热力学事先判断它的可行性。（可行性分析）石墨————金刚石？N2+H2————NH3？H2O————H2+O2？常温、常压常温、常压　　？　　？00GG常温、常压判据？化工热力学的用途41②对于实践证明是可行的工艺进行优化。（能量有效利用）A.提高产品质量。如利用相图去除乙醇中的甲醇和水。B.节能。老厂改造，增效挖潜，能量的合理利用。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65%，应用热力学相平衡的成果，将进料中乙醛含量由0.7%降至0.4%后，操作费用节省50%。NaClKClH2ODEE'HIGM能量损失的形式：1。防止跑冒滴漏2。不合理的工艺3。不可逆损失•能量是有品位的。•高温蒸汽比低温蒸汽有用。•有用的热量称为有效能，也称为“火用”42③多元相平衡数据是设计、生产操作和产品质量控制必不可少的，尤其是产品