化工热力学
Chemical Engineering thermodynamics
沈阳工业大学高等职业技术学院教材和参考书
1 陈钟秀,顾飞燕,化工热力学,第二版,
北京,化学工业出版社,2001
2 陈钟秀,顾飞燕,化工热力学例题与习题,
北京,化学工业出版社,1998
3 Smith J M,Van Ness H C,Abbott M
M,Introduction to Chemical
Engineering Thermodynamics,6th
ed,New York,McGraw-Hill,2001
教学内容
1 绪论
2 流体的 P-V-T 关系
3 纯流体的热力学性质
4 流体混合物的热力学性质
5 化工过程的能量分析
6 蒸汽动力循环与制冷循环
7 相平衡
8 化学反应平衡
1 绪论
1.1 热力学的发展
1.2 化工热力学的内容
1.3 热力学的研究方法
1.1 热力学的发展热力学是研究能量、能量转换以及与能量转换有关的物性间相互关系的科学。
热力学 (thermodynamics)一词的意思是热
(thermo)和动力 (dynamics)，既由热产生动力，
反映了热力学起源于对热机的研究。
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使用，如何充分利用热能来推动机器作工成为重要的研究课题。
1798年,英国物理学家和政治家 Benjamin
Thompson (1753-1814) 通过炮膛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 Humphry Davy (1778-
1829)通过冰的摩擦实验研究功转换为热 。
1824年,法国陆军工程师
Nicholas Léonard Sadi Carnot
发表了,关于火的动力研究,的论文 。
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与两个热源的温度,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 。
Carnot
(1796 - 1832)
卡诺的论文发表后，没有马上引起人们的注意。过了十年，法国工程师 Ben?lt
Paul Emile 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汽液平衡，导出了克拉佩隆方程。
1842 年,德国医生
Julius Robert Mayer
(1814 - 1878) 主要受病人血液颜色在热带和欧洲的差异及海水温度与暴风雨的启发,提出了热与机械运动之间相互转化的思想 。 Mayer (1814 - 1878)
1847年,德国物理学家和生物学家 Hermann Ludwig von
Helmholtz (1821 - 1894)
发表了,论力的守衡” 一文，
全面论证了能量守衡和转化定律。
Helmholtz
(1821 - 1894)
1843-1848年,英国酿酒商 James Prescott
Joule (1818 - 1889) 以确凿无疑的定量实验结果为基础，
论述了能量受恒和转化定律。
焦耳的热功当量实验是热力学第一定律的实验基础。
Joule
(1818 - 1889)
根据热力学第一定律热功可以按当量转化,而根据卡诺原理热却不能全部变为功,当时不少人认为二者之间存在着根本性的矛盾 。
1850年,德国物理学家 Rudolf J.
Clausius (1822 - 1888) 进一步研究了热力学第一定律和克拉佩隆转述的卡诺原理,发现二者并不矛盾 。
他指出,热不可能独自地,不付任何代价地从冷物体转向热物体,并将这个结论称为热力学第二定律 。
克劳胥斯在 1854年给出了热力学第二定律的数学表达式,1865年提出
,墒,的概念 。
Clausius
(1822 - 1888)
1851年，英国物理学家 Lord Kelvin (1824-
l907)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。 这是热力学第二定律的另一种说法。
1853年，他 把能量转化与物系的内能联系起来，给出了热力学第一定律的数学表达式。
1875年,美国耶鲁大学数学物理学教授 Josiah Willard
Gibbs发表了,论多相物质之平衡,的论文 。 他在熵函数的基础上,引出了平衡的判据；
提出热力学势的重要概念,用以处理多组分的多相平衡问题；
导出相律,得到一般条件下多相平衡的规律 。 吉布斯的工作,
把热力学和化学在理论上紧密结合起来,奠定了化学热力学的重要基础 。
Gibbs
(1839 - 1903)
热力学基本定律反映了自然界的客观规律,以这些定律为基础进行演绎,逻辑推理而得到的热力学关系与结论,显然具有高度的普遍性,可靠性与实用性,可以应用于机械工程,化学,化工等各个领域,由此形成了化学热力学,工程热力学,化工热力学等重要的分支 。 化学热力学主要讨论热化学,相平衡和化学平衡理论 。 工程热力学主要研究热能动力装置中工作介质的基本热力学性质,各种装置的工作过程以及提高能量转化效率的途径 。 化工热力学是以化学热力学和工程热力学为基础,结合化工实际过程逐步形成的学科 。
1.2 化工热力学的 目的和 内容化工热力学的主要任务是以热力学第一,第二定律为基础,研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利用的规律,研究物质状态变化与物质性质之间的关系以及物理或化学变化达到平衡的理论极限,条件和状态 。
化工热力学是理论和工程实践性都较强的学科 。
化工热力学所要解决的实际问题可以归纳为三类：
(1) 过程进行的可行性分析和能量的有效利用；
(2) 相平衡和化学反应平衡问题；
(3) 测量、推算与关联热力学性质。
化工热力学的基本关系式包括热力学第一定律、热力学第二定律、相平衡关系和化学反应平衡关系。具体应用中的难点包括：
1 简化普遍的热力学关系式以解决实际的复杂问题；
2 联系所需要的关系式和确定求解方案；
3 确定真实流体的内能、熵和逸度等热力学性质与温度、压力、比容和热容等可测量参数间的关系；
4 掌握热力学图表和方程的使用方法；
5 判断计算结果的准确性。
课程目标
1 理解化工热力学的基本原理
2 预测和分析化工系统的性能 。
3 根据所要解决问题的性质,选择和使用计算流体热力学性质的数学模型；
4 计算化工过程的能量变化；
5 计算纯流体和混合物的相平衡；
6 计算气相和液相反应的反应物和产物的平衡组成；
7 了解热力学在化工过程中的主要实际应用 。
1.3 热力学的研究方法宏观 经典热力学微观 统计热力学经典热力学只研究宏观量 （ 温度,压力,密度等 ） 间的关系 。
但是宏观性质与分子有关 ；温度与分子运动有关；密度与分子间相互作用有关 。
Chemical Engineering thermodynamics
沈阳工业大学高等职业技术学院教材和参考书
1 陈钟秀,顾飞燕,化工热力学,第二版,
北京,化学工业出版社,2001
2 陈钟秀,顾飞燕,化工热力学例题与习题,
北京,化学工业出版社,1998
3 Smith J M,Van Ness H C,Abbott M
M,Introduction to Chemical
Engineering Thermodynamics,6th
ed,New York,McGraw-Hill,2001
教学内容
1 绪论
2 流体的 P-V-T 关系
3 纯流体的热力学性质
4 流体混合物的热力学性质
5 化工过程的能量分析
6 蒸汽动力循环与制冷循环
7 相平衡
8 化学反应平衡
1 绪论
1.1 热力学的发展
1.2 化工热力学的内容
1.3 热力学的研究方法
1.1 热力学的发展热力学是研究能量、能量转换以及与能量转换有关的物性间相互关系的科学。
热力学 (thermodynamics)一词的意思是热
(thermo)和动力 (dynamics)，既由热产生动力，
反映了热力学起源于对热机的研究。
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使用，如何充分利用热能来推动机器作工成为重要的研究课题。
1798年,英国物理学家和政治家 Benjamin
Thompson (1753-1814) 通过炮膛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 Humphry Davy (1778-
1829)通过冰的摩擦实验研究功转换为热 。
1824年,法国陆军工程师
Nicholas Léonard Sadi Carnot
发表了,关于火的动力研究,的论文 。
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与两个热源的温度,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 。
Carnot
(1796 - 1832)
卡诺的论文发表后，没有马上引起人们的注意。过了十年，法国工程师 Ben?lt
Paul Emile 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汽液平衡，导出了克拉佩隆方程。
1842 年,德国医生
Julius Robert Mayer
(1814 - 1878) 主要受病人血液颜色在热带和欧洲的差异及海水温度与暴风雨的启发,提出了热与机械运动之间相互转化的思想 。 Mayer (1814 - 1878)
1847年,德国物理学家和生物学家 Hermann Ludwig von
Helmholtz (1821 - 1894)
发表了,论力的守衡” 一文，
全面论证了能量守衡和转化定律。
Helmholtz
(1821 - 1894)
1843-1848年,英国酿酒商 James Prescott
Joule (1818 - 1889) 以确凿无疑的定量实验结果为基础，
论述了能量受恒和转化定律。
焦耳的热功当量实验是热力学第一定律的实验基础。
Joule
(1818 - 1889)
根据热力学第一定律热功可以按当量转化,而根据卡诺原理热却不能全部变为功,当时不少人认为二者之间存在着根本性的矛盾 。
1850年,德国物理学家 Rudolf J.
Clausius (1822 - 1888) 进一步研究了热力学第一定律和克拉佩隆转述的卡诺原理,发现二者并不矛盾 。
他指出,热不可能独自地,不付任何代价地从冷物体转向热物体,并将这个结论称为热力学第二定律 。
克劳胥斯在 1854年给出了热力学第二定律的数学表达式,1865年提出
,墒,的概念 。
Clausius
(1822 - 1888)
1851年，英国物理学家 Lord Kelvin (1824-
l907)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。 这是热力学第二定律的另一种说法。
1853年，他 把能量转化与物系的内能联系起来，给出了热力学第一定律的数学表达式。
1875年,美国耶鲁大学数学物理学教授 Josiah Willard
Gibbs发表了,论多相物质之平衡,的论文 。 他在熵函数的基础上,引出了平衡的判据；
提出热力学势的重要概念,用以处理多组分的多相平衡问题；
导出相律,得到一般条件下多相平衡的规律 。 吉布斯的工作,
把热力学和化学在理论上紧密结合起来,奠定了化学热力学的重要基础 。
Gibbs
(1839 - 1903)
热力学基本定律反映了自然界的客观规律,以这些定律为基础进行演绎,逻辑推理而得到的热力学关系与结论,显然具有高度的普遍性,可靠性与实用性,可以应用于机械工程,化学,化工等各个领域,由此形成了化学热力学,工程热力学,化工热力学等重要的分支 。 化学热力学主要讨论热化学,相平衡和化学平衡理论 。 工程热力学主要研究热能动力装置中工作介质的基本热力学性质,各种装置的工作过程以及提高能量转化效率的途径 。 化工热力学是以化学热力学和工程热力学为基础,结合化工实际过程逐步形成的学科 。
1.2 化工热力学的 目的和 内容化工热力学的主要任务是以热力学第一,第二定律为基础,研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利用的规律,研究物质状态变化与物质性质之间的关系以及物理或化学变化达到平衡的理论极限,条件和状态 。
化工热力学是理论和工程实践性都较强的学科 。
化工热力学所要解决的实际问题可以归纳为三类：
(1) 过程进行的可行性分析和能量的有效利用；
(2) 相平衡和化学反应平衡问题；
(3) 测量、推算与关联热力学性质。
化工热力学的基本关系式包括热力学第一定律、热力学第二定律、相平衡关系和化学反应平衡关系。具体应用中的难点包括：
1 简化普遍的热力学关系式以解决实际的复杂问题；
2 联系所需要的关系式和确定求解方案；
3 确定真实流体的内能、熵和逸度等热力学性质与温度、压力、比容和热容等可测量参数间的关系；
4 掌握热力学图表和方程的使用方法；
5 判断计算结果的准确性。
课程目标
1 理解化工热力学的基本原理
2 预测和分析化工系统的性能 。
3 根据所要解决问题的性质,选择和使用计算流体热力学性质的数学模型；
4 计算化工过程的能量变化；
5 计算纯流体和混合物的相平衡；
6 计算气相和液相反应的反应物和产物的平衡组成；
7 了解热力学在化工过程中的主要实际应用 。
1.3 热力学的研究方法宏观 经典热力学微观 统计热力学经典热力学只研究宏观量 （ 温度,压力,密度等 ） 间的关系 。
但是宏观性质与分子有关 ；温度与分子运动有关；密度与分子间相互作用有关 。
