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欢迎同学们进入《化工热力学》的学习第一章绪论1、化工热力学的发展简史2、化工热力学的主要研究内容3、化工热力学的研究方法及其发展4、化工热力学的优点和局限性5、名词、定义、基本概念6、化工热力学在化学工程中的地位7、学习化工热力学的目的和要求8、参考书目第一章绪论——化工热力学的发展简史远古时代：钻木取火12世纪：火药1593年：伽利略制造出第一只温度计1784年：有了比热的概念18世纪末：证明了热不是一种物质1824年：卡诺提出了理想热机的设想1738年：伯努利提出了第一个能量守恒实例提出了热力学第一定律1824年：焦耳测定了热功当量第一章绪论——化工热力学的发展简史1850年：克劳休斯证明了热机效率，提出了热力学第二定律1944年：B.F.Dodge写出了化工热力学教科书第一章绪论——化工热力学的主要研究内容进行过程的能量衡算判断过程进行的方向和限度提高化工过程能量的有效利用率提供热力学数据与物性数据第一章绪论——化工热力学的主要研究内容进行过程的能量衡算：物料衡算和建立在热力学第一定律基础上的能量衡算是所有化工工艺设计的基础。比如（1）求取设备中的传热量、传质量或反应量（2）确定设备的尺寸和台数（3）操作条件分析、工艺改进、设计方案对比第一章绪论——化工热力学的主要研究内容判断过程进行的方向和限度：建立在热力学第二定律上的一些热力学函数可以判断过程进行的方向和限度，在化工单元操作及反应器设计中，平衡状态的确定、平衡组成的计算、多组元相平衡数据的求取是非常重要的内容。第一章绪论——化工热力学的主要研究内容提高化工过程能量的有效利用率：化工生产过程消耗大量的能源。石油、天然气等能源不仅是化学工业的燃料，而且是生产一些重要化工产品的原料。利用热力学的基本原理，对化工过程进行热力学分析，是热力学近三十年来最重要的进展。计算各种热力过程的理想功、损耗功、有效能等，找出可以节能而没有能的环节和设备，然后采取措施，达到节能的目的。第一章绪论——化工热力学的主要研究内容提高化工过程能量的有效利用率：对于评定新的设计方案和改进现有生产都是有效的手段。近来，能源紧张问题更显突出，故在流程选择、设备设计中往往以节能为目标函数进行优化，为了节能，宁可增加设备（即初始投资）。第一章绪论——化工热力学的主要研究内容提供热力学数据与物性数据：热力学把研究的对象称为体系（System），与研究对象有密切联系的周围称为环境（Surrounding）。描述体系处于一定状态是用一系列的宏观热力学性质（如T、P、Cp、H、S、G等）表示。上述三个问题的解决离不开热力学数据与物性数据第一章绪论——化工热力学的主要研究内容提供热力学数据与物性数据：但是，热力学的有效应用（如过程模拟与放大），往往由于缺乏热力学基础数据而发生困难。根据统计，现有十万种以上的无机化合物和近四百万种有机化合而热力学性质已研究得十分透彻的元素和化合物却只一百种左右。第一章绪论——化工热力学的主要研究内容提供热力学数据与物性数据：因此，对于物质热力学性质的计算、气体状态方程的研究、普遍化方法求算热力学函数，已成为很重要热力学基础工作。目前，特别是对于混合物的数据更缺少，而需要又十分迫切，因此，混合物的热力学性的研究和计算，目前已成为化工热力学的主攻方向之一。第一章绪论——化工热力学的研究方法及其发展研究方法：宏观研究法和微观研究法1、利用热力学函数和物质状态之间的关系解决实际问题2、利用抽象的概括的理想的方法来处理问题，当用于实际问题时，加以适当修正。第一章绪论——化工热力学的研究方法及其发展化工热力学的发展1、与分子热力学联系：经典化工热力学和分子热力学没有绝对的分解线，目前，经典化工热力学越来越多使用分子热力学的研究成果，特别是，从微观的结果导出的模型及相应的计算式；分子热力学由于理论计算的困难，在解决实际问题时，不得不使用实验数据参数或使用一些经验方法作为补充。第一章绪论——化工热力学的研究方法及其发展化工热力学的发展2、突破石油化工热力学的限制：（1）发展新的计算方法，解决摩尔质量较大化合物的热力学计算，扩充了热力学在化工中的使用范围；（2）把化工热力学扩充到化学工业之外，比如环境热力学，解决了环境中的化学品污染问题，为发展化学工业打破了环境限制。第一章绪论——化工热力学的研究方法及其发展化工热力学的发展3、与计算机科学的结合：在化工设计程序中，热力学的计算量可占总计算量的50%以上，有的甚至占到80%，可见热力学与计算机科学结合的必要性。第一章绪论——化工热力学的研究方法及其发展化工热力学的发展4、丰富热力学数据和物性数据数据根据不完全统计，现有十万种以上的无机化合物和近四百万种有机化合，而热力学性质已研究得十分透彻的元素和化合物却只一百种左右。因此，对于物质热力学性质的计算、气体状态方程的研究、普遍化方法求算热力学函数，已成为很重要热力学基础工作。目前，特别是对于混合物的数据更缺少，而需要又十分迫切，因此，混合物的热力学性的研究和计算，目前已成为化工热力学的主攻方向之一。第一章绪论——化工热力学的优点和局限性优点：①经典热力学是从宏观角度研究问题，他研究大量分子组成的体系表现出来的宏观性质，是建立在实验基础上的。�②热力学只问过程的结果，而不问过程变化的经过。以静态的观点研究问题，无随时间变化的因素。因此，化工热力学又称为化工静力学。第一章绪论——化工热力学的优点和局限性优点：③经典热力学只能处理极限情况的有关问题例：解决化学平衡与相平衡组成的计算④在严格导出的热力学结论中，没有任何的假想成分，因而结论是可靠的，具有普遍性。例：热力学第二定律证明永动机不可能实现，那么在这方面的努力是徒劳的。第一章绪论——化工热力学的优点和局限性局限性：①对于某一具体物质的具体性质，需要做一定的实验，然后才能在热力学理论及数学推倒下得到具有实用性的关联式。原因是热力学基本定律是宏观的，不考虑物质的结构差异。因此，热力学数据的准确性和可靠程度受实验条件的限制。如：某物质的汽-液平衡数据会有不同的几套。第一章绪论——化工热力学的优点和局限性局限性：②由于不考虑过程的机理、细节，因此不能解决反应速率问题速率=推动力/阻力其中推动力=实际状态-平衡状态热力学解决平衡状态的问题，可为推动力提供平衡数据第一章绪论——名词、定义、基本概念1体系和环境为明确讨论的对象，对感兴趣的一部份物质或空间和其余的物质和空间分开(可以是实际的，也可以是假想的)。把这部分称为体系，其余部分叫做环境。(1)隔离体系或孤立体系体系和环境间没有任何物质或能量交换。它们不受环境改变的影响。(2)封闭体系体系和环境间只有能量而无物质的交换。但是这并不意味着体系不能因有化学反应发生而改变其组成。(3)敞开体系体系和环境可以有能量和物质的交换第一章绪论——名词、定义、基本概念2平衡状态与状态函数平衡状态:一个体系在不受外界影响的条件下，如果它的宏观性质不随时间而变化，此体系处于热力学平衡状态。达到热力学平衡(即热平衡、力平衡、相平衡和化学平衡)的必要条件是引起体系状态变化的所有势差，如温度差、压力差、化学位差等均为零。动态平衡状态函数：描述体系所处状态的宏观物理量称为热力学变量。由于它们是状态的单值函数，亦称为状态函数。常用的状态函数有压力P、温度T、比容V、内能U、焓H、熵S、自由焓G等。强度量的数值仅取决于物质本身的特性，而与物质的数量无关。如:温度、压力、密度、摩尔内能等。广度量的数值与物质的数量成正比。如:体积、质量、焓、熵、内能、自由焓等。须指出，单位质量的广度量显然是一种强度量。第一章绪论——名词、定义、基本概念3过程过程是指体系由某一平衡状态变化到另一平衡状态时所经历的全部状态的总和。(1)不可逆过程(2)可逆过程(3)各种热力过程等温过程、等压过程、等容过程和绝热过程等(4)循环过程体系经过一系列的状态变化过程后，最后又回到最初状态，则整个的变化称为循环第一章绪论——名词、定义、基本概念4温度与热力学第零定律实验观察可知，当两个物体分别与第三个物体处于热平衡时，则这两个物体彼此之间也必定处于热平衡。这是经验的叙述，称热平衡定律，又称热力学第零定律。为建立温度概念提供实验基础，是进行温度测量和建立经验温标的理论基础。绝对温标T(K，Kelvin)、摄氏温标t(℃)第一章绪论——名词、定义、基本概念5能、功和热(1)能是一个基本概念。所有物质都有能。能定义为做功的容量。能是既不能创造，也不会毁灭的。任何体系而言，输入的能量和输出的能量之差等于该体系内贮藏着能的改变。体系的内能指除动能和位能以外的所有形式的能，它代表着微观水平的能的形式，我们无法测定内能的绝对值，而只能计算出它的变化。内能的符号是U，单位用J表示，工程上Cal表示。第一章绪论——名词、定义、基本概念5能、功和热(2)功:由于存在着除温度外的其他位的梯度，如压差，在体系和环境间传递着的能称为功。在热力学中因做功的方式不同，有各种形式的功机械功、电功、化学功、表面功、磁功体系所得的功（环境对体系做功）为正值，体系所失的功（对环境做功）为负值。功不是体系的性质，不是状态函数，而是和过程所经的途径有关。在国际单位制中功的单位也用J表示。第一章绪论——名词、定义、基本概念5能、功和热（3)热：从经验知道，一个热的物体和一个冷的物体相接触，冷的变热了，而热的变冷了。说明在它们之间有某种东西在相互传递着，人们称这种东西为热。当热加到某体系以后，其贮存的不是热，而是增加了该体系的内能。有人形象化地把热比作雨，而把内能比作池中的水，当体系吸热而变为其内能时，犹如雨下到池中变成水一样体系吸热取正值，放热取负值。第一章绪论——名词、定义、基本概念6焓除内能外，还有许多热力学函数，焓就是其中之一，它的定义可写为H=U+PV式中H是焓，U是内能，P是绝压，V是体积。由于U和PV都由体系的状态所决定，因此焓也是个状态函数。其单位和内能相同。第一章绪论——名词、定义、基本概念7熵可逆过程是一种极限，实际的过程则或多或少地趋近这个极限在《物理化学》中学习了Clausius不等式，式中Q代表热量，T代表绝对温度。第一章绪论——名词、定义、基本概念7熵熵的中文意义是热量被温度除的商，若热量相同，温度高则熵小，温度低则熵大。熵的外文原名的意义是转变（engtropy，thermalcharge），指热量可以转变为功的程度，熵小则转化程度高，熵大则转化程度低。第一章绪论——名词、定义、基本概念9.7熵熵是个状态函数。伴随着自发过程的进行，熵值不断增大，当达到平衡时，熵值增到最大，其后熵值不变。因此熵是判断在隔离体系中任何自发过程进行的方向和限度的共同准则。在隔离体系中，如果变化是可逆的，熵值不变；如果变化是不可逆的，熵值增加。这就是所谓的熵增原理。（热力学第二定律）隔离(孤立）体系第一章绪论——名词、定义、基本概念7熵从统计热力学知，熵是混乱程度的度量：S=lnkΩ式中：Ω表示热力学几率。当Ω=1时，S=0，这就是绝对熵定律（热力学第三定律），其表述为：绝对零度（T=0）完整晶体（Ω=1）的熵值等于零，可见，熵是有绝对值的。第一章绪论——化工热力学在化学工程中的地位第一章绪论——学习化工热力学的目的和要求要求：⑴要明确各章节的作用，即解决什么问题，得出了什么结论。⑵要掌握化工热力学的研究方法。⑶除基本概念理论外，要特别注意计算技能。⑷作业要思路明确，步骤清晰，计算基准单位要妥当。第一章绪论——学习化工热力学的目的和要求要求：⑴要明确各章节的作用，即解决什么问题，得出了什么结论。⑵要掌握化工热力学的研究方法。⑶除基本概念理论外，要特别注意计算技能。⑷作业要思路明确，步骤清晰，计算基准单位要妥当。第一章绪论——参考书目1、化工热力学，天津大学2、化工热力学，浙江大学3、物理化学，天津大学4、物理化学，华东理工大学5、化学平衡，石油大学Chemicalengineeringcandoanyth