1、欢迎同学们进入欢迎同学们进入化工热力学化工热力学的学习的学习第一章第一章绪绪论论1 1、化工热力学的发展简史、化工热力学的发展简史2 2、化工热力学的主要研究内容、化工热力学的主要研究内容3 3、化工热力学的研究方法及其发展、化工热力学的研究方法及其发展4 4、化工热力学的优点和局限性、化工热力学的优点和局限性5 5、名词、定义、基本概念、名词、定义、基本概念6 6、化工热力学在化学工程中的地位、化工热力学在化学工程中的地位7 7、学习化工热力学的目的和要求、学习化工热力学的目的和要求8 8、参考书目、参考书目第一章第一章绪绪论论化工热力学的发展简史化工热力学的发展简史远古时代：钻木取火远古时
2、代：钻木取火12世纪：火药世纪：火药1593年：伽利略制造出第一只温度计年：伽利略制造出第一只温度计1784年：有了比热的概念年：有了比热的概念18世纪末：证明了热不是一种物质世纪末：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提出了热力学第一定律1824年：焦耳测定了热功当量年：焦耳测定了热功当量第一章第一章绪绪论论化工热力学的发展简史化工热力学的发展简史n1850年：克劳休斯证明了热机效率，提出了热力学第年：克劳休斯证明了热机效率，提出了热力学第二定律二
3、定律n1944年：年：B.F.Dodge写出了化工热力学教科书写出了化工热力学教科书第一章第一章绪绪论论化工热力学的主要研究内容化工热力学的主要研究内容n进行过程的能量衡算进行过程的能量衡算n判断过程进行的方向和限度判断过程进行的方向和限度n提高化工过程能量的有效利用率提高化工过程能量的有效利用率n提供热力学数据与物性数据提供热力学数据与物性数据第一章第一章绪绪论论化工热力学的主要研究内容化工热力学的主要研究内容n进行过程的能量衡算：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。比如的能量衡算是所有化工工艺设计的
4、基础。比如（1）求取设备中的传热量、传质量或反应量）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）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）操作条件分析、工艺改进、设计方案对比第一章第一章绪绪论论化工热力学的主要研究内容化工热力学的主要研究内容n判断过程进行的方向和限度：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力学函数可以判断过程进行的方向和限度，度，在化工单元操作及反应器设计中，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、多平衡状态的确定、平衡组成的计算、多
5、组元相平衡数据的求取是非常重要的内组元相平衡数据的求取是非常重要的内容。容。第一章第一章绪绪论论化工热力学的主要研究内容化工热力学的主要研究内容n提高化工过程能量的有效利用率：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。化工生产过程消耗大量的能源。石油、天然石油、天然气等能源不仅是化学工业的燃料，气等能源不仅是化学工业的燃料，而且是生而且是生产一些重要化工产品的原料。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、
6、有展。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，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。然后采取措施，达到节能的目的。第一章第一章绪绪论论化工热力学的主要研究内容化工热力学的主要研究内容n提高化工过程能量的有效利用率：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，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（即函数进行
7、优化，为了节能，宁可增加设备（即初始投资）。初始投资）。第一章第一章绪绪论论化工热力学的主要研究内容化工热力学的主要研究内容n提供热力学数据与物性数据：提供热力学数据与物性数据：热 力 学 把 研 究 的 对 象 称 为 体 系热 力 学 把 研 究 的 对 象 称 为 体 系（SystemSystem），与研究对象有密切联系的），与研究对象有密切联系的周围称为环境周围称为环境（SurroundingSurrounding）。）。描述体系处于一定状态是用一系列描述体系处于一定状态是用一系列的宏观热力学性质（如的宏观热力学性质（如T T、P P、CpCp、H H、S S、G G等）表示。上述三个
8、问题的解决离不开等）表示。上述三个问题的解决离不开热力学数据与物性数据热力学数据与物性数据第一章第一章绪绪论论化工热力学的主要研究内容化工热力学的主要研究内容n提供热力学数据与物性数据：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，现有础数据而发生困难。根据统计，现有十十万种万种以上的无机化合物和近以上的无机化合物和近四百万种四百万种有有机化合而热力学性质已研究得十分透彻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的元素和化合物却只一百种左右一百种左右
9、。第一章第一章绪绪论论化工热力学的主要研究内容化工热力学的主要研究内容n提供热力学数据与物性数据：提供热力学数据与物性数据：因此，因此，对于物质热力学性质的计算、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热力学函数，已成为很重要热力学基础工作工作。目前，特别是对于。目前，特别是对于混合物混合物的数据的数据更缺少，而需要又十分迫切，因此，混更缺少，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。成为化工热力学的主攻方向之一。第一章第一章
10、绪绪论论化工热力学的研究方法及其发展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利用热力学函数和物质状态之间的关系解决实际问题解决实际问题2、利用抽象的概括的理想的方法来处理问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。题，当用于实际问题时，加以适当修正。第一章第一章绪绪论论化工热力学的研究方法及其发展化工热力学的研究方法及其发展n化工热力学的发展化工热力学的发展1、与分子热力学联系：、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经典化工热力学和分子热力学没有绝对的分解线，
11、目前，经典化工热力学越来越多使用分解线，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不使用实验数据参数或使用一些经验方法作为补充。补充。第一章第一章绪绪论论化工热力学的研究方法及其发展化工热力学的研究方法及其发展n化工热力学的发展化工热力学的发展2、突破石油化工热力学的限制：、突破石油化工热力学的限制：（1）发展新的计算方法，解决
12、摩尔质量较大化）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合物的热力学计算，扩充了热力学在化工中的使用范围；使用范围；（2）把化工热力学扩充到化学工业之外，比如）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，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。为发展化学工业打破了环境限制。第一章第一章绪绪论论化工热力学的研究方法及其发展化工热力学的研究方法及其发展n化工热力学的发展化工热力学的发展3、与计算机科学的结合：、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在化工设计程序中，热力学的计算量
13、可占总计算量的总计算量的50%以上，有的甚至占到以上，有的甚至占到80%，可见热力学与计算机科学结合的必要性。可见热力学与计算机科学结合的必要性。第一章第一章绪绪论论化工热力学的研究方法及其发展化工热力学的研究方法及其发展n化工热力学的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、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、气左右。因
14、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，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。目前已成为化工热力学的主攻方向之一。第一章第一章绪绪论论化工热力学的优点和局限性化工热力学的优点和局限性优点：优点：经典热力学是从宏观角度研究问题，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
15、出来的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。宏观性质，是建立在实验基础上的。热力学只问过程的结果，而不问过程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，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，化工热力无随时间变化的因素。因此，化工热力学又称为化工学又称为化工静力学静力学。第一章第一章绪绪论论化工热力学的优点和局限性化工热力学的优点和局限性优点：优点：经典热力学只能处理极限情况的有关问题例：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解决化学平衡与相平衡组成的计算 在严格导出的热力学结论中，没有任何的
16、假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。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么在这方面的努力是徒劳的。第一章第一章绪绪论论化工热力学的优点和局限性化工热力学的优点和局限性局限性：局限性：对于某一具体物质的具体性质，需要做一定的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。到具有实用性的关联式。原因是热力学基本定原因是热力学基本定律是宏观的，不考虑物质的结
17、构差异。因此，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：某物质的汽限制。如：某物质的汽-液平衡数据会有不同液平衡数据会有不同的几套。的几套。第一章第一章绪绪论论化工热力学的优点和局限性化工热力学的优点和局限性局限性：局限性：由于不考虑过程的机理、细节，因此不由于不考虑过程的机理、细节，因此不能解决反应速率问题能解决反应速率问题速率速率=推动力推动力/阻力阻力其中推动力其中推动力=实际状态实际状态-平衡状态热力学平衡状态热力学解决平衡状态的问题，可为推动力提供解决平衡状态的问题，可为推动力提供平衡数据平衡数据
18、第一章第一章绪绪论论名词、定义、基本概念名词、定义、基本概念n1 体系和环境体系和环境 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间和其余的物质和空间分开(可以是实际的，也可以是可以是实际的，也可以是假想的假想的)。把这部分称为体系，其余部分叫做环境。把这部分称为体系，其余部分叫做环境。(1)(1)隔离体系或孤立体系体系和环境间没有任何物质或能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。量交换。它们不受环境改变的影响。(2)(2)封闭体系体系和环境间只有能量而无物质的交换。但封闭体系体系和环境间
19、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。组成。(3)(3)敞开体系体系和环境可以有能量和物质的交换敞开体系体系和环境可以有能量和物质的交换第一章第一章绪绪论论名词、定义、基本概念名词、定义、基本概念n2平衡状态与状态函数平衡状态与状态函数平衡状态平衡状态:一个体系在不受外界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，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。达到此体系处于热力学平衡状态。达到热力学平衡热力学平衡(即即热平热平衡、力平衡、相平衡和化学平衡衡、力平衡
20、、相平衡和化学平衡)的必要条件是引起体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。动态平衡差等均为零。动态平衡状态函数状态函数：描述体系所处状态：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值函数，亦称为状态函数。常用的状态函数有压力P、温度温度T、比容、比容V、内能、内能U、焓、焓H、熵、熵S、自由焓、自由焓G等。等。强强度量度量的数值仅取决于物质本身的特性，而与物质的数的数值仅取决于物质本身的特性，而与物质
21、的数量无关。如量无关。如:温度、压力、密度、摩尔内能等。温度、压力、密度、摩尔内能等。广度量广度量的数值与物质的数量成正比。如的数值与物质的数量成正比。如:体积、质量、焓、熵、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。一种强度量。第一章第一章绪绪论论名词、定义、基本概念名词、定义、基本概念n3 过程过程 过程是指体系由某一平衡状态变化到另一平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。衡状态时所经历的全部状态的总和。(1)不可逆过程不可逆过程(2)可逆过程可逆过程(3)各种各种热力过程热
22、力过程等温过程、等压过程、等容过程等温过程、等压过程、等容过程和绝热过程等和绝热过程等(4)循环过程循环过程体系经过一系列的状态变化过程后，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最后又回到最初状态，则整个的变化称为循环第一章第一章绪绪论论名词、定义、基本概念名词、定义、基本概念n4 温度与热力学第零定律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，称必定处于热平衡。这是经验的叙述，称热平衡热平衡定律定律
23、，又称，又称热力学第零定律热力学第零定律。为建立温度概念。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。绝对温标标的理论基础。绝对温标T(K，Kelvin)、摄氏、摄氏温标温标t()第一章第一章绪绪论论名词、定义、基本概念名词、定义、基本概念n5 能、功和热能、功和热(1)能能是一个基本概念。所有物质都有能。能定是一个基本概念。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
24、改变。体系的量之差等于该体系内贮藏着能的改变。体系的内能内能指除动能和位能以外的所有形式的能，它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。内能的能的绝对值，而只能计算出它的变化。内能的符号符号是是U，单位用，单位用J表示，工程上表示，工程上Cal表示。表示。第一章第一章绪绪论论名词、定义、基本概念名词、定义、基本概念n5 能、功和热能、功和热(2)功功:由于存在着除温度外的其他位的梯度，如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。在压差，在体系和环境间传递
25、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关。在国际单位制中功的单位也用J J表示。表示。第一章第一章绪绪论论名词、定义、基本概念名词、定义、基本概念n5 能、功和热能、功和热（3)热：热：从经验
26、知道，一个热的物体和一个冷的从经验知道，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。有人存的不是热，而是增加了该体系的内能。有人形象化地把形象化地把热比作雨热比作雨，而把，而把内能比作池中的水内能比作池中的水，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。变成水一样体系吸热
27、取正值，放热取负值。第一章第一章绪绪论论名词、定义、基本概念名词、定义、基本概念n6 焓焓 除内能外，还有许多热力学函数，焓除内能外，还有许多热力学函数，焓就是其中之一，它的定义可写为就是其中之一，它的定义可写为H=U+PVH=U+PV式中式中H H是焓，是焓，U U是内能是内能，P P是绝压，是绝压，V V是体是体积。由于积。由于U U和和PVPV都由体系的状态所决定，都由体系的状态所决定，因此焓也是个状态函数。其单位和内能因此焓也是个状态函数。其单位和内能相同。相同。第一章第一章绪绪论论名词、定义、基本概念名词、定义、基本概念n7 熵熵 可逆过程是一种极限，实际的过程则可逆过程是一种极限，
28、实际的过程则或多或少地趋近这个极限在或多或少地趋近这个极限在物理化学物理化学中学习了中学习了Clausius不等式，不等式，式中式中Q代表热量，代表热量，T代表绝对温度。代表绝对温度。第一章第一章绪绪论论名词、定义、基本概念名词、定义、基本概念7 熵熵 熵的中文意义是热量被温度除的商，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熵大。熵的外文原名的意义是转变（engtropy，thermal charge），指热），指热量可以转变为功的程度，熵小则转化程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
29、。度高，熵大则转化程度低。第一章第一章绪绪论论名词、定义、基本概念名词、定义、基本概念n9.7 熵熵 熵是个状态函数。伴随着自发过程的进行，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，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；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。这就是所谓如果变化是不可逆的，熵值增加。这就是所谓的的熵增原理熵增原
30、理。（热力学第二定律）。（热力学第二定律）隔离隔离(孤立）孤立）体系体系第一章第一章绪绪论论名词、定义、基本概念名词、定义、基本概念n7 熵熵 从统计热力学知，熵是混乱程度的度从统计热力学知，熵是混乱程度的度量：量：S=lnk式中：式中：表示热力学几率。表示热力学几率。当当 =1时，时，S=0，这就是绝对熵定律，这就是绝对熵定律（热力学第三定律），其表述为：（热力学第三定律），其表述为：绝对绝对零度（零度（T=0）完整晶体（）完整晶体（=1）的熵值）的熵值等于零等于零，可见，熵是有绝对值的。，可见，熵是有绝对值的。第一章第一章绪绪论论化工热力学在化学工程中的地位化工热力学在化学工程中的地位！第
31、一章第一章绪绪论论学习化工热力学的目的和要求学习化工热力学的目的和要求n要求：要求：要明确各章节的作用，即解决什么问要明确各章节的作用，即解决什么问题，得出了什么结论。题，得出了什么结论。要掌握化工热力学的研究方法。要掌握化工热力学的研究方法。除基本概念理论外，要特别注意计算除基本概念理论外，要特别注意计算技能。技能。作业要思路明确，步骤清晰，计算基作业要思路明确，步骤清晰，计算基准单位要妥当。准单位要妥当。第一章第一章绪绪论论学习化工热力学的目的和要求学习化工热力学的目的和要求n要求：要求：要明确各章节的作用，即解决什么问要明确各章节的作用，即解决什么问题，得出了什么结论。题，得出了什么结论
32、。要掌握化工热力学的研究方法。要掌握化工热力学的研究方法。除基本概念理论外，要特别注意计算除基本概念理论外，要特别注意计算技能。技能。作业要思路明确，步骤清晰，计算基作业要思路明确，步骤清晰，计算基准单位要妥当。准单位要妥当。第一章第一章绪绪论论参考书目参考书目1 1、化工热力学，天津大学、化工热力学，天津大学2 2、化工热力学，浙江大学、化工热力学，浙江大学3 3、物理化学，天津大学、物理化学，天津大学4 4、物理化学，华东理工大学、物理化学，华东理工大学5 5、化学平衡，石油大学、化学平衡，石油大学 Chemicalengineeringcandoanything!同学们努力吧！同学们努力吧！
