化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1

化工熱力學(xué)的教學(xué)課件12023/12/27化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論1、化工熱力學(xué)的發(fā)展簡史2、化工熱力學(xué)的主要研究內(nèi)容3、化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展4、化工熱力學(xué)的優(yōu)點和局限性5、名詞、定義、基本概念6、化工熱力學(xué)在化學(xué)工程中的地位7、學(xué)習(xí)化工熱力學(xué)的目的和要求8、參考書目化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的發(fā)展簡史遠古時代：鉆木取火12世紀：火藥1593年：伽利略制造出第一只溫度計1784年：有了比熱的概念18世紀末：證明了熱不是一種物質(zhì)1824年：卡諾提出了理想熱機的設(shè)想1738年：伯努利提出了第一個能量守恒實例提出了熱力學(xué)第一定律1824年：焦耳測定了熱功當量化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的發(fā)展簡史1850年：克勞休斯證明了熱機效率，提出了熱力學(xué)第二定律1944年：B.F.Dodge寫出了化工熱力學(xué)教科書化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的主要研究內(nèi)容進行過程的能量衡算判斷過程進行的方向和限度提高化工過程能量的有效利用率提供熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的主要研究內(nèi)容進行過程的能量衡算：物料衡算和建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上的能量衡算是所有化工工藝設(shè)計的基礎(chǔ)。比如（1）求取設(shè)備中的傳熱量、傳質(zhì)量或反應(yīng)量（2）確定設(shè)備的尺寸和臺數(shù)（3）操作條件分析、工藝改進、設(shè)計方案對比化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的主要研究內(nèi)容判斷過程進行的方向和限度：建立在熱力學(xué)第二定律上的一些熱力學(xué)函數(shù)可以判斷過程進行的方向和限度，在化工單元操作及反應(yīng)器設(shè)計中，平衡狀態(tài)的確定、平衡組成的計算、多組元相平衡數(shù)據(jù)的求取是非常重要的內(nèi)容?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的主要研究內(nèi)容提高化工過程能量的有效利用率：

化工生產(chǎn)過程消耗大量的能源。石油、天然氣等能源不僅是化學(xué)工業(yè)的燃料，而且是生產(chǎn)一些重要化工產(chǎn)品的原料。利用熱力學(xué)的基本原理，對化工過程進行熱力學(xué)分析，是熱力學(xué)近三十年來最重要的進展。計算各種熱力過程的理想功、損耗功、有效能等，找出可以節(jié)能而沒有能的環(huán)節(jié)和設(shè)備，然后采取措施，達到節(jié)能的目的?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的主要研究內(nèi)容提高化工過程能量的有效利用率：

對于評定新的設(shè)計方案和改進現(xiàn)有生產(chǎn)都是有效的手段。近來，能源緊張問題更顯突出，故在流程選擇、設(shè)備設(shè)計中往往以節(jié)能為目標函數(shù)進行優(yōu)化，為了節(jié)能，寧可增加設(shè)備（即初始投資）?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的主要研究內(nèi)容提供熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)：

熱力學(xué)把研究的對象稱為體系（System），與研究對象有密切聯(lián)系的周圍稱為環(huán)境（Surrounding）。描述體系處于一定狀態(tài)是用一系列的宏觀熱力學(xué)性質(zhì)（如T、P、Cp、H、S、G等）表示。上述三個問題的解決離不開熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的主要研究內(nèi)容提供熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)：

但是，熱力學(xué)的有效應(yīng)用（如過程模擬與放大），往往由于缺乏熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)而發(fā)生困難。根據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)有十萬種以上的無機化合物和近四百萬種有機化合而熱力學(xué)性質(zhì)已研究得十分透徹的元素和化合物卻只一百種左右?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的主要研究內(nèi)容提供熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)：因此，對于物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的計算、氣體狀態(tài)方程的研究、普遍化方法求算熱力學(xué)函數(shù)，已成為很重要熱力學(xué)基礎(chǔ)工作。目前，特別是對于混合物的數(shù)據(jù)更缺少，而需要又十分迫切，因此，混合物的熱力學(xué)性的研究和計算，目前已成為化工熱力學(xué)的主攻方向之一。化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展研究方法：宏觀研究法和微觀研究法1、利用熱力學(xué)函數(shù)和物質(zhì)狀態(tài)之間的關(guān)系解決實際問題2、利用抽象的概括的理想的方法來處理問題，當用于實際問題時，加以適當修正。化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展化工熱力學(xué)的發(fā)展1、與分子熱力學(xué)聯(lián)系：經(jīng)典化工熱力學(xué)和分子熱力學(xué)沒有絕對的分解線，目前，經(jīng)典化工熱力學(xué)越來越多使用分子熱力學(xué)的研究成果，特別是，從微觀的結(jié)果導(dǎo)出的模型及相應(yīng)的計算式；分子熱力學(xué)由于理論計算的困難，在解決實際問題時，不得不使用實驗數(shù)據(jù)參數(shù)或使用一些經(jīng)驗方法作為補充?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展化工熱力學(xué)的發(fā)展2、突破石油化工熱力學(xué)的限制：（1）發(fā)展新的計算方法，解決摩爾質(zhì)量較大化合物的熱力學(xué)計算，擴充了熱力學(xué)在化工中的使用范圍；（2）把化工熱力學(xué)擴充到化學(xué)工業(yè)之外，比如環(huán)境熱力學(xué)，解決了環(huán)境中的化學(xué)品污染問題，為發(fā)展化學(xué)工業(yè)打破了環(huán)境限制?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展化工熱力學(xué)的發(fā)展3、與計算機科學(xué)的結(jié)合：在化工設(shè)計程序中，熱力學(xué)的計算量可占總計算量的50%以上，有的甚至占到80%，可見熱力學(xué)與計算機科學(xué)結(jié)合的必要性。化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展化工熱力學(xué)的發(fā)展4、豐富熱力學(xué)數(shù)據(jù)和物性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

根據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)有十萬種以上的無機化合物和近四百萬種有機化合，而熱力學(xué)性質(zhì)已研究得十分透徹的元素和化合物卻只一百種左右。因此，對于物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的計算、氣體狀態(tài)方程的研究、普遍化方法求算熱力學(xué)函數(shù)，已成為很重要熱力學(xué)基礎(chǔ)工作。目前，特別是對于混合物的數(shù)據(jù)更缺少，而需要又十分迫切，因此，混合物的熱力學(xué)性的研究和計算，目前已成為化工熱力學(xué)的主攻方向之一?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的優(yōu)點和局限性優(yōu)點：①經(jīng)典熱力學(xué)是從宏觀角度研究問題，他研究大量分子組成的體系表現(xiàn)出來的宏觀性質(zhì)，是建立在實驗基礎(chǔ)上的。?②熱力學(xué)只問過程的結(jié)果，而不問過程變化的經(jīng)過。以靜態(tài)的觀點研究問題，無隨時間變化的因素。因此，化工熱力學(xué)又稱為化工靜力學(xué)。化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的優(yōu)點和局限性優(yōu)點：③經(jīng)典熱力學(xué)只能處理極限情況的有關(guān)問題例：解決化學(xué)平衡與相平衡組成的計算④在嚴格導(dǎo)出的熱力學(xué)結(jié)論中，沒有任何的假想成分，因而結(jié)論是可靠的，具有普遍性。例：熱力學(xué)第二定律證明永動機不可能實現(xiàn)，那么在這方面的努力是徒勞的?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的優(yōu)點和局限性局限性：①對于某一具體物質(zhì)的具體性質(zhì)，需要做一定的實驗，然后才能在熱力學(xué)理論及數(shù)學(xué)推倒下得到具有實用性的關(guān)聯(lián)式。原因是熱力學(xué)基本定律是宏觀的，不考慮物質(zhì)的結(jié)構(gòu)差異。因此，熱力學(xué)數(shù)據(jù)的準確性和可靠程度受實驗條件的限制。如：某物質(zhì)的汽-液平衡數(shù)據(jù)會有不同的幾套?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的優(yōu)點和局限性局限性：②由于不考慮過程的機理、細節(jié)，因此不能解決反應(yīng)速率問題速率=推動力/阻力其中推動力=實際狀態(tài)-平衡狀態(tài)熱力學(xué)解決平衡狀態(tài)的問題，可為推動力提供平衡數(shù)據(jù)化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——名詞、定義、基本概念1體系和環(huán)境

為明確討論的對象，對感興趣的一部份物質(zhì)或空間和其余的物質(zhì)和空間分開(可以是實際的，也可以是假想的)。把這部分稱為體系，其余部分叫做環(huán)境。(1)隔離體系或孤立體系體系和環(huán)境間沒有任何物質(zhì)或能量交換。它們不受環(huán)境改變的影響。(2)封閉體系體系和環(huán)境間只有能量而無物質(zhì)的交換。但是這并不意味著體系不能因有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生而改變其組成。(3)敞開體系體系和環(huán)境可以有能量和物質(zhì)的交換化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——名詞、定義、基本概念2平衡狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)平衡狀態(tài):一個體系在不受外界影響的條件下，如果它的宏觀性質(zhì)不隨時間而變化，此體系處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。達到熱力學(xué)平衡(即熱平衡、力平衡、相平衡和化學(xué)平衡)的必要條件是引起體系狀態(tài)變化的所有勢差，如溫度差、壓力差、化學(xué)位差等均為零。動態(tài)平衡狀態(tài)函數(shù)：描述體系所處狀態(tài)的宏觀物理量稱為熱力學(xué)變量。由于它們是狀態(tài)的單值函數(shù)，亦稱為狀態(tài)函數(shù)。常用的狀態(tài)函數(shù)有壓力P、溫度T、比容V、內(nèi)能U、焓H、熵S、自由焓G等。強度量的數(shù)值僅取決于物質(zhì)本身的特性，而與物質(zhì)的數(shù)量無關(guān)。如:溫度、壓力、密度、摩爾內(nèi)能等。廣度量的數(shù)值與物質(zhì)的數(shù)量成正比。如:體積、質(zhì)量、焓、熵、內(nèi)能、自由焓等。須指出，單位質(zhì)量的廣度量顯然是一種強度量?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——名詞、定義、基本概念3過程

過程是指體系由某一平衡狀態(tài)變化到另一平衡狀態(tài)時所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和。(1)不可逆過程(2)可逆過程(3)各種熱力過程等溫過程、等壓過程、等容過程和絕熱過程等(4)循環(huán)過程體系經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化過程后，最后又回到最初狀態(tài)，則整個的變化稱為循環(huán)化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——名詞、定義、基本概念4溫度與熱力學(xué)第零定律實驗觀察可知，當兩個物體分別與第三個物體處于熱平衡時，則這兩個物體彼此之間也必定處于熱平衡。這是經(jīng)驗的敘述，稱熱平衡定律，又稱熱力學(xué)第零定律。為建立溫度概念提供實驗基礎(chǔ)，是進行溫度測量和建立經(jīng)驗溫標的理論基礎(chǔ)。絕對溫標T(K，Kelvin)、攝氏溫標t(℃)化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——名詞、定義、基本概念5能、功和熱(1)能是一個基本概念。所有物質(zhì)都有能。能定義為做功的容量。能是既不能創(chuàng)造，也不會毀滅的。任何體系而言，輸入的能量和輸出的能量之差等于該體系內(nèi)貯藏著能的改變。體系的內(nèi)能指除動能和位能以外的所有形式的能，它代表著微觀水平的能的形式，我們無法測定內(nèi)能的絕對值，而只能計算出它的變化。內(nèi)能的符號是U，單位用J表示，工程上Cal表示?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——名詞、定義、基本概念5能、功和熱(2)功:由于存在著除溫度外的其他位的梯度，如壓差，在體系和環(huán)境間傳遞著的能稱為功。在熱力學(xué)中因做功的方式不同，有各種形式的功機械功、電功、化學(xué)功、表面功、磁功體系所得的功（環(huán)境對體系做功）為正值，體系所失的功（對環(huán)境做功）為負值。功不是體系的性質(zhì)，不是狀態(tài)函數(shù)，而是和過程所經(jīng)的途徑有關(guān)。在國際單位制中功的單位也用J表示?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——名詞、定義、基本概念5能、功和熱（3)熱：從經(jīng)驗知道，一個熱的物體和一個冷的物體相接觸，冷的變熱了，而熱的變冷了。說明在它們之間有某種東西在相互傳遞著，人們稱這種東西為熱。當熱加到某體系以后，其貯存的不是熱，而是增加了該體系的內(nèi)能。有人形象化地把熱比作雨，而把內(nèi)能比作池中的水，當體系吸熱而變?yōu)槠鋬?nèi)能時，猶如雨下到池中變成水一樣體系吸熱取正值，放熱取負值?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——名詞、定義、基本概念6焓

除內(nèi)能外，還有許多熱力學(xué)函數(shù)，焓就是其中之一，它的定義可寫為H=U+PV式中H是焓，U是內(nèi)能，P是絕壓，V是體積。由于U和PV都由體系的狀態(tài)所決定，因此焓也是個狀態(tài)函數(shù)。其單位和內(nèi)能相同。化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——名詞、定義、基本概念7熵

可逆過程是一種極限，實際的過程則或多或少地趨近這個極限在《物理化學(xué)》中學(xué)習(xí)了Clausius不等式，式中Q代表熱量，T代表絕對溫度?；崃W(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——名詞、定義、基本概念7熵

熵的中文意義是熱量被溫度除的商，若熱量相同，溫度高則熵小，溫度低則熵大。熵的外文原名的意義是轉(zhuǎn)變（engtropy，thermalcharge），指熱量可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ某潭?，熵小則轉(zhuǎn)化程度高，熵大則轉(zhuǎn)化程度低。化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——名詞、定義、基本概念9.7熵

熵是個狀態(tài)函數(shù)。伴隨著自發(fā)過程的進行，熵值不斷增大，當達到平衡時，熵值增到最大，其后熵值不變。因此熵是判斷在隔離體系中任何自發(fā)過程進行的方向和限度的共同準則。在隔離體系中，如果變化是可逆的，熵值不變；如果變化是不可逆的，熵值增加。這就是所謂的熵增原理。（熱力學(xué)第二定律）隔離(孤立）體系化工熱力學(xué)的教學(xué)課件1第一章

緒論

——名詞、定義、基本概念7熵從統(tǒng)計熱力