《化工熱力學(xué)》教學(xué)大綱

1、化工熱力學(xué)教學(xué)大綱課程編號課程性質(zhì)必修課程名稱化工熱力學(xué)學(xué)時/學(xué)分48英文名稱Chemical Engineering Thermodynamics考核方式考試+平時成績選用教材馮新 宣愛國.化工熱力學(xué)(第2版).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2018課程負(fù)責(zé)人方芬先修課程高等數(shù)學(xué) 物理化學(xué) 化工原理大綱執(zhí)筆人方芬適用專業(yè)化學(xué)工程與工藝大綱審核人范輝一課程的性質(zhì)、目的及任務(wù)化工熱力學(xué)是化學(xué)工程學(xué)的一個重要分支和基礎(chǔ)學(xué)科，是化工類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。它是化工過程研究、開發(fā)與設(shè)計的理論基礎(chǔ)，是一門理論性與應(yīng)用性均較強的課程。該課程系統(tǒng)地介紹了將熱力學(xué)原理應(yīng)用于化學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域的研究方法。本課程是化學(xué)工

2、程學(xué)的重要組成部分，是化工過程研究、開發(fā)和設(shè)計的理論基礎(chǔ)。通過本課程的理論教學(xué)，使學(xué)生具備下列能力：（1）理解熱力學(xué)性質(zhì)P-V-T間的關(guān)系，應(yīng)用P-V相圖分析物質(zhì)狀態(tài)的變化過程，應(yīng)用狀態(tài)方程、三參數(shù)對應(yīng)態(tài)原理求解壓縮因子；（2）理解Maxwell關(guān)系式的目的，應(yīng)用熱力學(xué)基本方程、Maxwell關(guān)系式給出熱力學(xué)性質(zhì)的普遍關(guān)系式。理解剩余性質(zhì)，應(yīng)用剩余性質(zhì)的計算方程、熱力學(xué)性質(zhì)圖表分析、設(shè)計、計算獲取真實氣體的熱力學(xué)性質(zhì)的數(shù)據(jù)；（3）理解溶液熱力學(xué)性質(zhì)，應(yīng)用狀態(tài)方程、三參數(shù)對應(yīng)態(tài)原理和活度系數(shù)組成關(guān)系式計算溶液熱力學(xué)性質(zhì)：逸度系數(shù)和活度系數(shù)；（4）應(yīng)用各種物理變化過程中達(dá)到平衡的理論極限、條件和狀

3、態(tài)，能夠進行相平衡數(shù)據(jù)的計算，為分離過程提供相平衡數(shù)據(jù)；（5）應(yīng)用熱力學(xué)第一、第二定律研究化工過程各種能量的相互轉(zhuǎn)化及其有效利用，進行化工過程熱力學(xué)分析，培養(yǎng)學(xué)生節(jié)約能源、合理利用能源的觀點。本課程的目的和任務(wù)：使學(xué)生在掌握熱力學(xué)的基本原理、基本計算技能的基礎(chǔ)上，聯(lián)系化工過程中的實際問題，培養(yǎng)學(xué)生獨立地分析問題和解決問題的能力，為今后的化工研究、設(shè)計及生產(chǎn)奠定扎實的基礎(chǔ)。二課程目標(biāo)與支撐畢業(yè)要求觀測點的對應(yīng)關(guān)系課程目標(biāo)支撐畢業(yè)要求觀測點支撐理由課程目標(biāo)1：使學(xué)生具備獲取熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)的能力（查閱文獻、建立數(shù)學(xué)模型等），培養(yǎng)學(xué)生樹立工程觀點，提高理論聯(lián)系實際的工程實踐能力。畢業(yè)要求：1. 工程知

4、識：能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和化學(xué)工程專業(yè)等知識用于解決復(fù)雜工程問題。觀測點1.3：能會對具體化工過程建立合適的數(shù)學(xué)模型，并利用恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件求解；觀測點1.4：能將專業(yè)知識和數(shù)學(xué)模型的方法用于化學(xué)過程的極限和優(yōu)化途徑的分析和判別。學(xué)生要獲取熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)必須會對具體化工過程建立合適的數(shù)學(xué)模型，并利用恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件求解，同時能將專業(yè)知識和數(shù)學(xué)模型的方法用于化學(xué)過程的極限和優(yōu)化途徑的分析和判別。因此，課程目標(biāo)1能夠支撐畢業(yè)要求觀測點1.3和1.4。課程目標(biāo)2：使學(xué)生能夠運用各種物理過程中達(dá)到平衡的理論極限、條件和狀態(tài)等知識，識別和判斷相平衡和能量平衡問題的關(guān)鍵過程及制約因素。畢業(yè)要求：2.

5、 問題分析能力：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程科學(xué)的基本原理及化學(xué)工程專業(yè)知識，識別和表述工程問題，并通過查閱文獻研究分析化工領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，獲得對問題的正確認(rèn)識并得出有效結(jié)論。觀測點2.1：能運用相關(guān)科學(xué)原理，識別和判斷化學(xué)工程問題的關(guān)鍵過程及制約因素。 平衡問題的分析必須要能運用平衡的理論極限、條件和狀態(tài)的知識，識別和判斷平衡問題的關(guān)鍵過程及制約因素。因此，課程目標(biāo)2能夠支撐畢業(yè)要求觀測點2.1。課程目標(biāo)3：使學(xué)生能夠基于各種物理過程中達(dá)到平衡的理論極限、條件和狀態(tài)等知識和狀態(tài)方程和活度系數(shù)方程，表達(dá)相平衡過程；以熱力學(xué)第一、第二定律為基礎(chǔ)，研究化工過程各種能量的相互轉(zhuǎn)化及其有效利用，給

6、出能量分析過程問題解決方案。畢業(yè)要求：2. 問題分析能力：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程科學(xué)的基本原理及化學(xué)工程專業(yè)知識，識別和表述工程問題，并通過查閱文獻研究分析化工領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，獲得對問題的正確認(rèn)識并得出有效結(jié)論。觀測點2.2：能基于相關(guān)科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法，正確表達(dá)化學(xué)工程問題的解決方案?；は嗥胶膺^程和化工過程能量分析必須要基于相平衡、熱力學(xué)第一、二定律和EOS、活度系數(shù)與組成等原理和數(shù)學(xué)模型，正確表達(dá)出相平衡問題的解決方案。因此，課程目標(biāo)3能夠支撐畢業(yè)要求觀測點2.2。課程目標(biāo)4：使學(xué)生能夠認(rèn)識到相平衡、能量分析和熱力學(xué)循環(huán)過程有多種方案，找到適宜解決方案。畢業(yè)要求：2. 問題

7、分析能力：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程科學(xué)的基本原理及化學(xué)工程專業(yè)知識，識別和表述工程問題，并通過查閱文獻研究分析化工領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，獲得對問題的正確認(rèn)識并得出有效結(jié)論。觀測點2.3：能認(rèn)識到解決問題有多種方案可選擇，尋找適宜的解決方案。化工相平衡過程、化工過程能量分析和熱力學(xué)循環(huán)過程分析有多種方案可選擇，需要學(xué)生認(rèn)識到并且尋找適宜的解決方案。因此，課程目標(biāo)4能夠支撐畢業(yè)要求觀測點2.3。課程目標(biāo)5：使學(xué)生能夠基于剩余性質(zhì)、偏摩爾性質(zhì)和活度系數(shù)模型等理論，設(shè)計可行的實驗方案，求取剩余性質(zhì)、偏摩爾性質(zhì)和活度系數(shù)模型參數(shù)。畢業(yè)要求：4. 科學(xué)研究：能夠運用化學(xué)工程基本原理，采用科學(xué)方法對復(fù)雜化

8、學(xué)工程問題進行實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析與解釋，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。觀測點4.2：能基于專業(yè)理論，根據(jù)對象特征，選擇研究路線，設(shè)計可行的實驗方案；基于剩余性質(zhì)、偏摩爾性質(zhì)和活度系數(shù)模型等理論，設(shè)計可行的實驗方案，求取剩余性質(zhì)、偏摩爾性質(zhì)和活度系數(shù)模型參數(shù)。因此，課程目標(biāo)5能夠支撐畢業(yè)要求觀測點4.2。三教學(xué)基本內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容作業(yè)要求講授學(xué)時(自學(xué)學(xué)時)支撐課程目標(biāo)第一章 緒論1.1化工熱力學(xué)的范疇1.2化工熱力學(xué)在化工中的重要性1.3化工熱力學(xué)的任務(wù)和主要研究內(nèi)容1.4化工熱力學(xué)處理問題的方法基本要求：1.了解化工熱力學(xué)的范疇和在化工中的重要性2. 熟悉化工熱力學(xué)的任務(wù)和主要研究內(nèi)容。3.

9、 熟悉化工熱力學(xué)處理問題的方法重點：化工熱力學(xué)在化工中的重要性；化工熱力學(xué)的任務(wù)和主要研究內(nèi)容。難點：化工熱力學(xué)處理問題的方法。自學(xué)內(nèi)容：熱力學(xué)的發(fā)展簡史課堂作業(yè)：1.1 寫出化工熱力學(xué)的任務(wù)課外作業(yè)：回顧高等數(shù)學(xué)中有關(guān)求導(dǎo)和微分的知識2課堂目標(biāo)1、2、3第二章 流體的pVT關(guān)系2.1. 純流體的p-V-T關(guān)系2.2. 真實流體的狀態(tài)方程2.3. 對比態(tài)原理及應(yīng)用2.4. 真實流體混合物的P-V-T關(guān)系2.5. 液體的p-V-T關(guān)系基本要求：1. 熟悉純物質(zhì)的P-V-T相圖及相圖上的重要概念。2. 掌握維里方程及其應(yīng)用，掌握R-K方程、SRK方程及P-R方程等三次型狀態(tài)方程，能應(yīng)用三次型狀態(tài)方

10、程計算氣體和液體的摩爾體積，了解多參數(shù)狀態(tài)方程在化工過程中的應(yīng)用。3. 理解對比態(tài)原理，掌握偏心因子和三參數(shù)普遍化關(guān)系。4. 了解液體的p-V-T 性質(zhì)的計算及真實氣體混合物性質(zhì)的計算。重點：p-V圖；立方型狀態(tài)方程和維里方程；三參數(shù)對應(yīng)態(tài)原理；普遍化壓縮因子圖和普遍化第二維里系數(shù)；混合規(guī)則難點：立方型狀態(tài)方程的特點及計算；氣體混合物的第二維里系數(shù)及應(yīng)用自學(xué)內(nèi)容：純物質(zhì)的p-T相圖；推導(dǎo)RK方程參數(shù)a、b的表達(dá)式課堂作業(yè)：2.1 在pv相圖中標(biāo)注出各種變化的途徑2.2 說明不同狀態(tài)方程的特點2.3說明偏心因子的定義及物理意義課外作業(yè)：完成本章小結(jié)查閱有關(guān)狀態(tài)方程的文獻并寫出感想。習(xí)題：1. 利

11、用狀態(tài)方程求取熱力學(xué)參數(shù)p-V-T；2. 利用對應(yīng)態(tài)原理及應(yīng)用（普維法和普壓法）求取熱力學(xué)參數(shù)p-V-T。6（1）課程目標(biāo)1第三章流體的熱力學(xué)性質(zhì)3.1熱力學(xué)性質(zhì)間基本關(guān)系式 3.2熱力學(xué)性質(zhì)計算 3.3兩相系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)及熱力學(xué)圖表基本要求：1. 學(xué)會運用狀態(tài)方程和普遍化關(guān)系式來計算能滿足工程需要的流體的焓、熵等熱力學(xué)性質(zhì)。2. 掌握由單相純物質(zhì)性質(zhì)計算兩相區(qū)純物質(zhì)性質(zhì)的方法，掌握工程上常用熱力學(xué)圖表的使用方法。重點：Maxwell關(guān)系式；剩余性質(zhì)；水蒸氣表；溫熵圖、壓焓圖、焓熵圖難點：剩余性質(zhì)的計算；水蒸氣表和熱力學(xué)性質(zhì)圖的應(yīng)用自學(xué)內(nèi)容：點函數(shù)與其導(dǎo)數(shù)之間循環(huán)關(guān)系的推導(dǎo)課堂作業(yè)：3.1

12、寫出單相流體系統(tǒng)基本方程式3.2 說明Maxwell關(guān)系式的物理意義3.3 寫出Maxwell關(guān)系式3.4 推導(dǎo)出熵、焓和內(nèi)能的關(guān)系式3.5 寫出剩余性質(zhì)的定義式3.6說明剩余性質(zhì)存在的意義3.7 繪制純物質(zhì)的溫熵圖3.8 寫出兩相區(qū)熱力學(xué)性質(zhì)的計算式3.9 說明干度的定義課外作業(yè)：完成本章小結(jié)習(xí)題：1. 剩余性質(zhì)的計算；2. 過程的焓變、熵變、內(nèi)能的變化的計算；3. 利用水蒸氣表和熱力學(xué)性質(zhì)圖計算水的熱力學(xué)性質(zhì)。6（1）課程目標(biāo)1、5第四章 流體混合物的熱力學(xué)性質(zhì)4.1變組成體系熱力學(xué)性質(zhì)間關(guān)系式 4.2化學(xué)位和偏摩爾性質(zhì)的定義和物理定義。 4.3逸度和逸度系數(shù) 4.4理想溶液和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)4.

13、5活度和活度系數(shù)4.6混合過程性質(zhì)變化4.7超額性質(zhì)4.8活度系數(shù)與組成關(guān)系式：正規(guī)溶液和無熱溶液；Redlich-Kister經(jīng)驗式；Wohl型方程；局部組成概念和Wilson方程。基本要求：1. 正確理解偏摩爾性質(zhì)、化學(xué)位、逸度、混合性質(zhì)變化、超額性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)態(tài)等概念。2. 掌握均相流體混合物熱力學(xué)性質(zhì)關(guān)系式，會使用活度系數(shù)關(guān)系式。3. 了解由狀態(tài)方程和混合規(guī)則推導(dǎo)混合物中組分逸度系數(shù)關(guān)系式的過程。4. 學(xué)會逸度和逸度系數(shù)計算方法。重點：偏摩爾性質(zhì)的定義和物理意義；Gibbs-Duhem方程；混合性質(zhì)變化；逸度和逸度系數(shù)的定義及物理意義；液體逸度；理想溶液的定義和標(biāo)準(zhǔn)態(tài)；活度和活度系數(shù)的定義

14、和物理意義；超額性質(zhì)的定義和物理意義；超額性質(zhì)和活度系數(shù)的關(guān)系；用van Laar和Wilson方程計算活度系數(shù)。難點：偏摩爾性質(zhì)的計算；純氣體的逸度計算和氣體混合物中組分逸度計算；混合物的逸度與其組分逸度之間關(guān)系。自學(xué)內(nèi)容：混合過程的焓變及焓濃圖課堂作業(yè)：4.1 寫出變組成體系熱力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系 4.2 說明化學(xué)位和偏摩爾性質(zhì)的定義4.3 說明化學(xué)位和偏摩爾性質(zhì)的區(qū)別4.4 寫出二元體系偏摩爾性質(zhì)的計算式4.5 寫出利用偏摩爾性質(zhì)計算溶液廣度性質(zhì)的計算式4.6寫出二元體系Gibbs-Duhem方程的表達(dá)式4.7 寫出純物質(zhì)和混合物的逸度及逸度系數(shù)的定義4.8 說明混合物的逸度與其組分逸度之間

15、的關(guān)系4.9 說明理想溶液的逸度、標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的意義4.10寫出理想溶液各組分的偏摩爾性質(zhì)與它們的純物質(zhì)性質(zhì)之間關(guān)系4.11說明活度與活度系數(shù)的物理意義4.12 寫出自由焓混合性質(zhì)的變化量的表達(dá)式4.13 寫出理想溶液的混合性質(zhì)變化4.14 寫出超額性質(zhì)的定義式4.15 說明活度系數(shù)與超額自由焓之間的關(guān)系課外作業(yè)：完成本章小結(jié)習(xí)題：1. 混合物的偏摩爾性質(zhì)的計算；2. 利用Gibbs-Duhem方程證明方程的合理性；3. 逸度的計算；4. 有關(guān)超額自由焓和活度系數(shù)的計算。5. 用van Laar和Wilson方程計算活度系數(shù)。12（6）課程目標(biāo)1、5第五章 相平衡5.1相平衡判據(jù)與相律 5.2汽液平

16、衡的相圖5.3汽液平衡計算基本要求：1. 掌握不同形式的二元汽液相圖。2. 了解一般正偏差、一般負(fù)偏差和具有共沸點系統(tǒng)的相圖特征。3. 掌握汽液平衡關(guān)系式及其應(yīng)用。4. 掌握完全互溶體系在中低壓下汽液平衡的計算方法，能借助于軟件用活度系數(shù)法和狀態(tài)方程法進行汽液平衡計算。重點：相平衡判據(jù)與相律；二元系統(tǒng)pT圖及其臨界特性；二元系統(tǒng)p-x-y、T-x-y和y-x相圖的類型；汽液平衡計算的基本公式和計算類型；中、低壓下汽液平衡計算；閃蒸計算。難點：中、低壓下汽液平衡計算。自學(xué)內(nèi)容：借助于軟件用活度系數(shù)法和狀態(tài)方程法進行汽液平衡計算。課堂作業(yè)：5.1 寫出相平衡的判據(jù)與相律。5.2 說明單組分與二元體

17、系的pT相區(qū)別。5.3 說明共沸物的特點及類型。5.4 寫出汽液平衡計算的基本公式及計算類型。5.5 繪制出低壓下汽液平衡的計算框圖。課外作業(yè)：完成本章小結(jié)習(xí)題：1. 中、低壓下汽液平衡計算。8（2）課程目標(biāo)2、3、4第六章 化工過程的能量分析6.1能量平衡方程及其應(yīng)用 6.2熵方程6.3理想功和損失功及熱力學(xué)效率6.4有效能與無效能6.5有效能衡算及有效能效率?；疽螅?.正確理解熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。2.熟練掌握這兩個基本定律在工程上的應(yīng)用。3. 理解能量的可利用程度或品質(zhì)的高低，明確認(rèn)識能量損失不僅是數(shù)量上的損失，還包括由于過程的不可逆性所導(dǎo)致的能量品級的降低。重點：穩(wěn)定流動

18、體系能量平衡方程及應(yīng)用；熵增原理與熵產(chǎn)生；熵平衡方程；理想功、損失功、火用及熱力學(xué)效率的定義及意義；火用衡算。難點：熵、理想功、損失功和火用等的概念及計算方法；各種熱力學(xué)效率的計算。自學(xué)內(nèi)容：化工過程與系統(tǒng)的有效能分析課堂作業(yè)：6.1說明穩(wěn)流體系的定義6.2 寫出穩(wěn)流體系的能量平衡方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式6.3 寫出不同具體過程的能量平衡方程的簡化式6.4 說明熱功之間的不平等轉(zhuǎn)化6.5 寫出熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式6.6 說明熵增原理6.7 寫出熵產(chǎn)生和熵流的定義6.8 寫出熵平衡方程6.9 寫出理想功、損失功和熱力學(xué)效率的定義及計算式6.10 說明有效能和無效能的概念6.11 寫出有效能的計算公

19、式課外作業(yè)：完成本章小結(jié)習(xí)題：1. 實際功、熵、理想功、損失功、熱力學(xué)效率和有效能等的計算。10（5）課程目標(biāo)3、4第七章 蒸汽動力循環(huán)和制冷循環(huán)7.1蒸汽動力循環(huán) 7.2節(jié)流膨脹與制冷循環(huán)基本要求：1. 掌握將熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于動力循環(huán)和制冷循環(huán)中，進行熱量、制冷量、功耗和循環(huán)效率的計算，進一步理解合理利用能源的意義和途徑。重點：朗肯循環(huán)及其熱效率；蒸汽壓縮制冷循環(huán)難點：蒸汽動力循環(huán)和制冷循環(huán)的T-S圖；蒸汽動力循環(huán)和制冷循環(huán)的熱效率計算自學(xué)內(nèi)容：做外功的絕熱膨脹課堂作業(yè)：7.1 說明蒸汽動力循環(huán)的過程7.2 說明制冷循環(huán)的過程。7.3 繪制蒸汽動力循環(huán)和制冷循環(huán)的T-S圖。課外作業(yè)：完成

20、本章小結(jié)7.1蒸汽動力循環(huán)和制冷循環(huán)的熱效率計算4課程目標(biāo)3、4四教學(xué)方法課程教學(xué)以課堂講授為主，結(jié)合課堂作業(yè)、課堂討論、課外作業(yè)、單元測試及考試等共同實施，具體內(nèi)容包括：1）課內(nèi)外作業(yè)：每章結(jié)束后，對本章所學(xué)內(nèi)容進行總結(jié)和課練習(xí)，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)和掌握所學(xué)內(nèi)容。2）課堂討論：根據(jù)學(xué)生所查資料進行課堂討論，以便對所學(xué)到知識進行鞏固和加深。3）課外作業(yè)：要求學(xué)生對章節(jié)內(nèi)容總結(jié)，并就涉及內(nèi)容查閱文獻，準(zhǔn)備課堂討論。4）單元測試、期末考試：采取閉卷的形式，考察學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的掌握情況。五課程考核內(nèi)容及方式本課程過程考核成績占50%：包括課內(nèi)外作業(yè)（30%）、單元測驗（20%）；結(jié)課考試占50%：閉卷考試。1. 課程目標(biāo)與考核方式關(guān)系表分項成績考核方式成績比例%課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3課程目標(biāo)4課程目標(biāo)5過程考核（50%）課內(nèi)外作業(yè)（30%）20302030203020301020單元測驗（20%）50122512251225結(jié)課考試（50%）期末考試3050204020402040課程目標(biāo)達(dá)成評價計算方法：50%*（課程目標(biāo)試題均分/課程目標(biāo)試題總分）+50%*（課程目標(biāo)平時成績均分/課程目標(biāo)平時成績總分）2. 課程目標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)項 目評分標(biāo)準(zhǔn)90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分課內(nèi)外作業(yè)按時交作業(yè)；基本概念理解正確、能夠正確應(yīng)用相關(guān)知識分析解決