化工热力学第1章-绪论课件.ppt

1、1华南理工大学华南理工大学 化学与化工学院化学与化工学院 .2化学工程师的收入化学工程师的收入v在今天的美国，最受企业欢迎的是哪个专业的毕业生？在今天的美国，最受企业欢迎的是哪个专业的毕业生？ 20042004年美国大学毕业生收入排行榜年美国大学毕业生收入排行榜v第一名：电脑工程师：第一名：电脑工程师：5.35.3万美元万美元v第二名：化学工程师：第二名：化学工程师：5.25.2万美元万美元v第三名：电机工程（第三名：电机工程（EEEE）：）：5.15.1万美元万美元v第四名：机械工程：第四名：机械工程：5.05.0万美元万美元v第五名第五名: : 电脑科学：电脑科学：4.94.9万美元万美元

2、v第六名第六名: : 工业制造工程：工业制造工程：4.84.8万美元万美元vv倒数第二名：小学教师课程毕业生倒数第二名：小学教师课程毕业生 ：2.72.7万美元万美元v最后一名：心理学专业毕业生：最后一名：心理学专业毕业生：2.52.5万美元万美元 .3化学工程师化学工程师 = 首席执政官首席执政官CEOv很多化学工程师进入企业高端管理层很多化学工程师进入企业高端管理层 v曾担任或现担任曾担任或现担任 CEO职务职务v3M, Du Pont, General Electric, Union Carbide, Dow Chemical, Exxon, BASF, Gulf Oil, Texaco

3、, and B.F. Goodrichv国家领导人国家领导人 ？.4v早期化学工程的早期化学工程的主要目标主要目标就是使化学家实验室做出来的化学就是使化学家实验室做出来的化学反应反应商品化商品化！v化学工程化学工程是以化学、物理、生物、数学的基本原理作为基础，研究化学工业和相关工业中的物质转化、物质形态和物质组成的一门工程科学 1010项顶尖成果项顶尖成果 （19831983年，年， AIChE AIChE ）1.1.合成橡胶合成橡胶: :19831983年，年，220220亿磅亿磅/ /年。二战期间，及时解救了天然年。二战期间，及时解救了天然橡胶匮乏的困境橡胶匮乏的困境2.2.抗生素抗生素：

4、19181918年流感夺走了全世界年流感夺走了全世界20002000万万人的生命。化学工人的生命。化学工程使青霉素的年产量高达百万磅程使青霉素的年产量高达百万磅3.3.聚合物聚合物：塑料在很多应用场合能取代木头、金属和玻璃：塑料在很多应用场合能取代木头、金属和玻璃.54.4.合成纤维合成纤维 5.5.低温空分生成低温空分生成O O2 2 和和 N N2 26.6.核同位素的分离核同位素的分离7.7.原油的催化裂解原油的催化裂解：制备高辛烷值燃料的能力在英国战役和二：制备高辛烷值燃料的能力在英国战役和二次世界大战中是一决定性因素次世界大战中是一决定性因素8.8.污染的控制污染的控制9.9.肥料尤

5、其是合成氨肥料尤其是合成氨：新肥料改进了农业的生产力并帮助养活：新肥料改进了农业的生产力并帮助养活了全世界了全世界10.10.生物医学工程生物医学工程.6化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系第一级第一级：物性常数：物性常数和热力学性质计算和热力学性质计算第二级第二级：平衡计算：平衡计算第三级第三级：“三传一反三传一反”第四级第四级：设备设计：设备设计第五级第五级：流程配置：流程配置第六级第六级：过程发展：过程发展吸收吸收系统系统模拟模拟反应反应系统系统模拟模拟精馏精馏系统系统模拟模拟吸收吸收塔计塔计算算反应反应器计器计算算精馏精馏塔计塔计算算换热换热

6、器计器计算算反应反应速度速度计算计算传质传质计算计算流体流体力学力学计算计算传热传热计算计算相平相平衡计衡计算算反应反应平衡平衡计算计算热平热平衡计衡计算算物料物料平衡平衡计算计算露点露点泡点泡点计算计算全流程的全流程的最佳化设最佳化设计和控制计和控制表面表面张力张力计算计算导热导热系数系数计算计算密度密度计算计算焓的焓的计算计算粘度粘度计算计算.7.8.9.10本章内容本章内容一、化工热力学的定义和用途一、化工热力学的定义和用途二、化工热力学研究内容二、化工热力学研究内容三、化工热力学的特点三、化工热力学的特点四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学五、本课程的内容五、本

7、课程的内容.11一、一、 化工热力学的定义和用途化工热力学的定义和用途1、化工热力学的定义化工热力学的定义A、热力学（、热力学（Thermo-dynamics ）B、化学热力学（、化学热力学（ Chemical Thermodynamics）C、工程热力学（、工程热力学（Engineering Thermodynamics）D、化工热力学（、化工热力学（ Chemical Engineering Thermodynamics）.12一、一、 化工热力学的定义和用途化工热力学的定义和用途1、化工热力学的定义化工热力学的定义A、热力学（、热力学（Thermo-dynamics ） 讨论热与功转化规

8、律的科学。讨论热与功转化规律的科学。v远古远古“钻木取火钻木取火”机械能转换为内能。机械能转换为内能。v12世纪世纪“火药燃烧加速箭支的飞行火药燃烧加速箭支的飞行”v19世纪世纪“蒸汽机蒸汽机”热转换为功。热转换为功。.13B、化学热力学（化学热力学（ Chemical Thermodynamics）应用热力学来处理热化学、相平衡和化学平衡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）。物理化学的一部分）。v例如：如何利用热力学的原理能计算出在何种例如：如何利用热力学的原理能计算出在何种温度和压力条件下

9、，由氮和氢能合成氨？这在温度和压力条件下，由氮和氢能合成氨？这在化肥工业上有重要影响。化肥工业上有重要影响。.14C、工程热力学（工程热力学（Engineering Thermodynamics）将热力学的基本理论应用于工程技术领域，则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。为工程热力学。 主要研究主要研究热能与机械能热能与机械能之间转换规律以及在之间转换规律以及在 工程中的应用。工程中的应用。 特点：特点：v制冷、动力制冷、动力v介质相对简单：水蒸气、氨、氟里昂介质相对简单：水蒸气、氨、氟里昂.15D、化工热力学（化工热力学（ Chemical Engineering Ther

10、modynamics） 集化学热力学和工程热力学之大成的学科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，研究任务是从热力学第一、第二定律出发，研究化工过程化工过程中各种能量的相互转化和有效利用，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研究各种物理和化学变化过程中达到平衡平衡的的理论极限、条件和状态。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工过程开发、设计和生产的重要理论基础基础。.16经典热力学经典热力学v无论是无论是工程热力学工程热力学还是还是化学热力学

11、化学热力学还是还是化化工热力学，工热力学，它们均是它们均是经典热力学经典热力学，遵循遵循经经典热力学典热力学的三大定律（的三大定律（热力学第一、第二、热力学第一、第二、第三定律第三定律），不同之处是由于热力学应用不同之处是由于热力学应用的的具体对象不同具体对象不同，决定了各种热力学解决，决定了各种热力学解决问题的方法有各自的特点。问题的方法有各自的特点。.17一、一、 化工热力学的定义和用途化工热力学的定义和用途2、化工热力学的用途、化工热力学的用途对于新工艺、新方法，用热力学事先判断它的对于新工艺、新方法，用热力学事先判断它的可行性。可行性。（可行性分析）（可行性分析）石墨石墨金刚石？金刚石

12、？N2+ H2 NH3 ？H2O H2+O2 ？常温、常压常温、常压常温、常压常温、常压？00 GG常温、常压常温、常压判据？判据？.18多元相平衡数据多元相平衡数据是是设计、生产操作和产设计、生产操作和产品质量控制必不可少品质量控制必不可少的，尤其是产品众多、的，尤其是产品众多、分离要求高的石油化分离要求高的石油化工更是如此。工更是如此。产品分离：设备投资产品分离：设备投资5090%；能量；能量6090%。精馏塔的设计精馏塔的设计LVLVFILVILIIVFILVLVF 热量衡算热量衡算总物料衡算总物料衡算.19建立建立化工热力学模型化工热力学模型，用最易测得的数据（，用最易测得的数据（P、

13、V、T、X）推算难测数据（）推算难测数据（U，H，S，G）；）；用少量实验数据加模型，得到过程开发中大量用少量实验数据加模型，得到过程开发中大量有用数据。有用数据。v多、快、好、省！多、快、好、省！世界上有世界上有105无机物，无机物，6x106有机物，只有有机物，只有100种纯物质的热种纯物质的热力学数据研究比较透彻。力学数据研究比较透彻。混合物的种类更多，更有用，但非常难测。混合物的种类更多，更有用，但非常难测。尤其是极性物质、聚合物体系、电解质溶液、生物体系。尤其是极性物质、聚合物体系、电解质溶液、生物体系。在高压、低温下的物性数据更是当务之急。在高压、低温下的物性数据更是当务之急。实验

14、费时、费力。实验费时、费力。.20二、化工热力学的研究内容二、化工热力学的研究内容v测量、关联与推算不同条件下物质的平衡性质测量、关联与推算不同条件下物质的平衡性质v过程能量分析过程能量分析v相平衡关系的描述和计算相平衡关系的描述和计算v动力与制冷过程原理及效率提高动力与制冷过程原理及效率提高v化工工艺设计中热力学性质的计算化工工艺设计中热力学性质的计算.21三、化工热力学的特点三、化工热力学的特点热力学研究方法热力学研究方法 宏观研究方法宏观研究方法 微观研究方法微观研究方法 经典热力学经典热力学 分子热力学分子热力学.22三、化工热力学的特点三、化工热力学的特点v1 1、经典热力学的、经典

15、热力学的特点特点1 1 研究大量分子中发生的研究大量分子中发生的平均变化平均变化 并总结出具有普遍性的并总结出具有普遍性的热力学基本定律热力学基本定律 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学方法，得到宏观性质之间的依赖关系经典热力学局限性之一：经典热力学局限性之一： 不能定量预测物质的宏观性质不能定量预测物质的宏观性质 不能解释微观本质及其产生某种现象不能解释微观本质及其产生某种现象的内部原因。的内部原因。.23三、化工热力学的特点三、化工热力学的特点v2 2、经典热力学的、经典热力学的特点特点2 2： 不研究物质

16、的结构不研究物质的结构 不考虑过程的细节不考虑过程的细节 只关心平衡问题（只关心体系的初态和终态）；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。不关心如何到达平衡。经典热力学局限性之二：经典热力学局限性之二：只能解决极限问题，不能解决速只能解决极限问题，不能解决速率问题率问题 经典热力学能够给出的是必要经典热力学能够给出的是必要条件而不是充分条件。条件而不是充分条件。但由热力学分析可以排除不能但由热力学分析可以排除不能发生反应的条件，因而节省了大发生反应的条件，因而节省了大量的时间和精力。量的时间和精力。 .24三、化工热力学的特点三、化工热力学的特点v3 3、分子热力学的、

17、分子热力学的特点特点 建立在建立在大量粒子群的统计性质的基础上大量粒子群的统计性质的基础上 从物质的从物质的微观结构观察与分析问题微观结构观察与分析问题，预测与解释，预测与解释平衡情况下物质的宏观性质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从分子间的相互作用出发，建立宏观性质与微观性质性质.25四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学v1、为何要学化工热力学？为何要学化工热力学？v答：解决化学产品的制备中存在两类问题。答：解决化学产品的制备中存在两类问题。v1）反应问题）反应问题反应物反应物A+反应物反应物B产物产物 C 或或 D 或或 E ？v

18、在给定条件下，在给定条件下，A和和B作用，作用，能否能否得到得到C？或或D？或或E？或它们的全部？或它们的全部？v如果如果制备产品制备产品C，什么是其什么是其最优条件最优条件（如压力、温度（如压力、温度等）？产率多少？等）？产率多少？v1 1、可行性分析、可行性分析2 2、化学反应平衡、化学反应平衡.26 怎样分离，才能得到纯物质怎样分离，才能得到纯物质C C？v2 2）分离问题）分离问题含含A 、B 、C、 D、 E的混合物的混合物 纯纯C D 和和 E A 和和 B所需产品所需产品进一步参加反应进一步参加反应副产品副产品4 4、能量有效利用、能量有效利用3 3、相平衡问题、相平衡问题.27

19、四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学2、如何学好化工热力学？如何学好化工热力学？1）掌握化工热力学处理问题方法之）掌握化工热力学处理问题方法之特点特点从从局部局部的实验数据的实验数据加半经验模型加半经验模型推算系统推算系统完整完整的信息的信息从从常温常压常温常压的物性数据来推算的物性数据来推算苛刻条件苛刻条件下的性质下的性质纯物质性质的推算纯物质性质的推算：从从容易容易获得的物性数据获得的物性数据（P、V、T、X）来推算来推算较难测定较难测定的数据的数据（U，H，S，G）混合物性质的推算：混合物性质的推算：从从纯物质纯物质的信息利用混合规则求取的信息利用混合规则求取混合

20、物混合物的信息的信息以以理想态为标准态理想态为标准态加上加上校正校正来处理真实状态的方法来处理真实状态的方法.28四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学 2）注意准确理解热力学概念）注意准确理解热力学概念 概念抽象概念抽象 规则严格规则严格 咬文嚼字咬文嚼字ii混合物的混合物的逸度系数逸度系数纯组分纯组分i 的的逸度系数逸度系数混合物中组分混合物中组分i 的逸度系数的逸度系数.293）注意单位换算）注意单位换算能量：能量：J，Cal，cm3.atm，cm3.bar压力：压力：kg/m2（工程压力），（工程压力），atm，mmHg，bar， Pa，MPa温度：温度：K， ，

21、oF，4）循序渐进）循序渐进四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学.303、教材：、教材：v教材：教材：董新法编，化工热力学董新法编，化工热力学, 化学工业出版社，化学工业出版社，20094、参考书、参考书v1）陈新志等，化工热力学，化学工业出版社，）陈新志等，化工热力学，化学工业出版社，2001v2）陈钟秀陈钟秀, 顾飞燕编，化工热力学顾飞燕编，化工热力学, 化学工业出版社，化学工业出版社，2001v3）朱自强，徐）朱自强，徐 汛编，化工热力学，化学工业出版社，汛编，化工热力学，化学工业出版社，1991 v4） J.M. Smith，(美美)史密斯，化工热力学导论史密斯

22、，化工热力学导论 ，第三版，第三版 ，化学工，化学工业出版社业出版社 ，1982v5） Stanley I. Sandler. Chemical and Engineering Thermodynamics (third edition), 1998四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学.31五、本课程的内容五、本课程的内容 对于模型的研对于模型的研究和建立不是究和建立不是本课程的内容本课程的内容 但了解模型的但了解模型的适用范围和如适用范围和如何应用模型是何应用模型是本课程的任务本课程的任务原理原理第三章第三章 （流体的热力学性质）（流体的热力学性质）第七章第七章 （相

23、平衡）（相平衡）第八章第八章 （化学反应平衡）（化学反应平衡）应用应用第五章（能量分析）第五章（能量分析）第六章（动力和制冷循环）第六章（动力和制冷循环）第八章第八章 （化学反应平衡）（化学反应平衡）模型模型第二章第二章 状态方程状态方程EOSEOS第四章第四章 活度系数模型活度系数模型i i.32总总 结结一、化工热力学的用途一、化工热力学的用途v1 1、可行性分析、可行性分析v2 2、能量有效利用、能量有效利用v3 3、分离工艺及设备的设计、分离工艺及设备的设计（相平衡）（相平衡） 需要热力学数据，最好是连续需要热力学数据，最好是连续的，而不是离散的。的，而不是离散的。二、如何得到热力学数

24、据二、如何得到热力学数据v1.1.实验：易测实验：易测 难测难测v2.2.推算：推算：局部局部 完整完整 纯物质纯物质 混合物混合物常温常压常温常压 苛刻条件苛刻条件需要模型需要模型三、模型的建立三、模型的建立v不同体系适合用不同的模型不同体系适合用不同的模型非极性物质非极性物质极性物质极性物质聚合物聚合物生物大分子生物大分子四、了解不同模型的适合范围四、了解不同模型的适合范围本课程的任务！本课程的任务！难难.33考试方法考试方法v 1 1、平时成绩、平时成绩30%30% 上课情况、平时作业上课情况、平时作业v 2 2、期末考试成绩、期末考试成绩70%70%.34学好本课程的方法学好本课程的方法v1 1、预习、预习v2 2、上课认真听讲、上课认真听讲v3 3、复习（看书，独立完成作业）、复习（看书，独立完成作业）.