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§1绪论化工热力学ChemicalEngineeringThermodynamics化学化工学院仲秀娟Tel:15006373919Email:zhongxiujuan@lcu.edu.cn化学工程专业的核心课程节能减排的重要工具§1绪论我要赚大钱！到底是出国、考研还是工作？化学工程与工艺专业不是我喜欢的专业！我想做律师、公务员、做贸易！我忙着考证将来找个好工作！所有的课程我都不感兴趣！所以我忙着玩游戏！但我心里也虚，不知怎么办？化学工程是夕阳工业么？你关心的问题和疑问§1绪论和谐社会节能减排气候变化越来越看得见、摸得着CO2排放与气候变化之间的关系“低碳经济”低能耗-----能量的最大利用低污染-----物质的最大利用谁主沉浮？国家和全球关心的问题§1绪论化学工程能做什么？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。4.肥料尤其合成氨：新肥料改进了农业的生产力病帮助养活了世界。………………♣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绪论§1绪论§1绪论教材和参考书§1绪论教学内容Chap1绪论Chap4热力学第一定律及其应用Chap5热力循环-热力学第二定律及其应用Chap2流体的PVT关系：状态方程式Chap6化工过程热力学分析Chap7溶液热力学基础Chap3纯流体的热力学性质计算§1绪论第一章绪论♠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。♠“焓焓”糊糊“熵”脑筋的课程。关于化工热力学课程§1绪论化工热力学到底能干什么？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、地暖、暖气片、空调与取暖器哪个更省电？3、如果用空气作为潜水员在海底的呼吸介质，为何会出现类似麻醉现象？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？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？§1绪论6、为何从天然植物中提取香精、色素等有效成分常用超临界萃取技术？萃取剂为何常选CO2？7、精馏塔的设计主要依据是什么？8、如何节能减排？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。§1绪论降低资源消耗♠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。§1绪论新能源-----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！§1绪论一、化工热力学的定义和用途二、化工热力学研究内容和特点三、热力学的研究方法四、为何学和如何学好化工热力学五、化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系六、本课程的内容学习指导内容§1绪论一、化工热力学的定义和用途1、化工热力学的定义A、热力学（Thermo-dynamics）说法1：讨论热与功转化规律的科学。说法2：是研究自然界各种形式能量之间相互转化的规律，以及能量转化对物质的影响的科学。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。§1绪论16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。§1绪论17•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。§1绪论18B、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§1绪论19C、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）。三个“E”Energy（能量）Entropy（熵）Equilibrium（平衡）§1绪论20D、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。四个“E”ChemicalEngineering（化学工程）Energy（能量）Entropy（熵）Equilibrium（平衡）§1绪论21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。§1绪论222、化工热力学的用途①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）②对于实践证明是可行的工艺进行优化。（能量有效利用）③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，尤其是产品众多、分离要求高的石油化工更是如此。④建立化工热力学模型，用最易测得的数据（P、V、T、X）推算难测数据（H，S，G）；用少量实验数据加模型，得到过程开发中大量有用数据。多、快、好、省！§1绪论23二、化工热力学的研究内容和特点模型EOS和gi应用封闭体系流动体系热力学原理Chap2、3、4Chap2、7Chap3、4、5、6基础目的应用中不可缺工具•1、化工热力学的研究内容§1绪论242、化工热力学的研究特点1）经典热力学的研究特点–从局部的实验数据推算系统完整的信息–从常温常压的物性数据来推算苛刻条件下的性质–从容易获得的物性数据（P、V、T、x）来推算较难测定的数据（y，H，S，G）–从纯物质的信息求取混合物的信息2）化工热力学的研究特点A.研究体系为实际状态–化学热力学研究的是以理想状态为主，如理想气体、理想溶液；化工热力学研究的是实际状态。在任意温度、压力下，多组分的状态。§1绪论25b.处理方法：以理想态为标准态加上校正实际过程=理想模型+校正实际气体：Z（压缩因子）实际气体：Ф（逸度系数）实际溶液：ϒ（活度系数）实际气体：MR（剩余性质）实际溶液：ME（超额性质）化学热力学方法建立模型§1绪论26C.获取数据的方法：少量实验数据加半经验模型•化工热力学是用少量实验数据加半经验模型，得到所需数据。尽管有误差（5%），但很实用，可以预测复杂的物性数据。高压、高温、低温、多元模型：运用数学式来表达物质之间相互关系。越有物理意义的模型，越准确。§1绪论27D.应用领域：解决工厂中的能量利用和平衡问题。•例如：合成氨厂有“一段转化”、“脱碳”、“甲烷化”、“蒸汽、合成气的压缩”等过程，如何实现全厂的能量平衡和有效能的合理使用问题。有用的热量称为有效能，也称为“火用”§1绪论化工热力学的重要性原料预处理反应粗产品产品精制三废1.一反2.传质3.能量传递4.提供热力学数据化学反应工程化学反应平衡原理化工分离过程相平衡原理热力学第一、第二定律化工热力学内容§1绪论29三、热力学研究方法宏观研究方法微观研究方法经典热力学分子热力学（统计热力学）§1绪论30•1、经典热力学的特点1–研究大量分子中发生的平均变化，–并总结出具有普遍性的热力学基本定律。–它建筑在热力学的三个基本定律之上，运用数学方法，得到宏观性质之间的依赖关系；•2、分子热力学特点–建立在大量粒子群的统计性质的基础上–从物质的微观结构观察与分析问题，预测与解释平衡情况下物质的宏观性质。–从分子间的相互作用出发，建立宏观性质与微观性质经典热力学局限性之一：•不能解释微观本质及其产生某种现象的内部原因。§1绪论31•3、经典热力学的特点2：•不研究物质的结构；•不考虑过程的细节；•只关心平衡问题（只关心体系的初态和终态）；不关心如何到达平衡。经典热力学局限性之二：只能解决极限问题，不能解决速率问题•经典热力学能够给出的是必要条件而不是充分条件。•但由热力学分析可以排除不能发生反应的条件，因而节省了大量的时间和精力。§1绪论32四、为何学和如何学好化工热力学•1、为何要学化工热力学？•答：为了解决化学产品的制备中存在两类问题。•1）反应问题反应物A+反应物B产物C或D或E？在给定条件下，A和B作用，能否得到C？或D？或E？或它们的全部？如果制备产品C，什么是其最优条件（如压力、温度等）？产率多少？1、可行性分析2、化学反应平衡§1绪论33•怎样分离，才能得到纯物质C？•2）分离问题含A、B、C、D、E的混合物纯CD和EA和B所需产品进一步参加反应副产品4、能量有效利用3、相平衡问题§1绪论342、如何学好化工热力学？1）掌握化工热力学处理问题方法之特点–从局部的实验数据加半经验模型推算系统完整的信息–从常温常压的物性数据来推算苛刻条件下的性质–纯物质性质的推算：从容易获得的物性数据（P、V、T、X）来推算较难测定的数据（y，H，S，G）–混合物性质的推算：从纯物质的信息利用混合规则求取混合物的信息–以理想态为标准态加上校正来处理真实状态的方法§1绪论352）注意准确理解热力学概念–概念抽象–规则严格–咬文嚼字ii混合物的逸度系数纯组分i的逸度系数混合物中组分i的逸度系数3）注意单位换算4）循序渐进§1绪论36学好本课程的方法(1)着重于基本概念的理解，对重要的公式加以推导。(2)认真做好笔记。(3)学习三遍：预习、学习、复习做到：提起来是一串，放下是一堆。(4)阅读讲义、教材、参考书§1绪论37•化工热力学着重研究热力学函数在工程中的应用。用热力学函数（P、V、T、H、S等）分析某些化工过程实际上的效率问题，即达到平衡的条件、状态。•化工热力学是“焓焓”糊糊“熵”脑筋的课程，即焓熵计算及其应用五、本课程的内容①热力学数据与物性数据的研究---P、V、T、H、S、G、f、φ、α、γ(第2、3、4章)②解决化工过程所需的热、功及其传递方向，解决能量合理利用问题(第5、6章)③解决相平衡、化学平衡的状态，确定质量传递方向(第7、8章)§1绪论38各章之间的联系第3章纯流体的热力学性质(H,S,U，难测；由EOS,Cp,Cv得到）第6章化工过程的能量分析:H,S,U,W(3)第8章相平衡:f(2,4),γ(4)给出物质有效利用极限第4、5章蒸汽动力循环和制冷循环:H,S,W(3)给出能量有效利用极限化工热力学的任务第7章流体混合物的热力学性质ˆ