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Unit 11 Chemical and Process Thermodynamics化工热力学在投入大量的时间和精力去研究一个学科时，有理由去问一下以下两个问题：该学科是什么？（研究）它有何用途？关于热力学，虽然第二个问题更容易回答，但回答第一个问题有必要对该学科较深入的理解。（尽管）许多专家或学者赞同热力学的简单而准确的定义的观点（看法）值得怀疑，但是还是有必要确定它的定义。然而，在讨论热力学的应用之后，就可以很容易完成其定义1热力学的应用热力学有两个主要的应用，两者对化学工程师都很重要。（1）与过程相联系的热效应和功效应的计算，以及从过程得到的最大功或驱动过程所需的最小功的计算。（2）描述处于平衡的系统的各变量之间的关系的确定。第一种应用由热力学这个名词可联想到，热力学表示运动中的热。直接利用第一和第二定律可完成许多（热效应和功效应的）计算。例如：计算压缩气体的功，对一个完整过程或某一过程单元的进行能量衡算，确定分离乙醇和水混合物所需的最小功，或者（evaluate）评估一个氨合成工厂的效率。热力学在特殊体系中的应用，引出了一些有用的函数的定义以及这些函数和其它变量（如压强、温度、体积和摩尔分数）关系网络的确定。实际上，在运用第一、第二定律时，除非用于评价必要的热力学函数变化已经存在，否则热力学的第一种应用不可能实现。通过已经建立的关系网络，从实验确定的数据可以计算函数变化。除此之外，某一体系中变量的关系网络，可让那些未知的或者那些难以从变量（这些变量容易得到或较易测量）中实验确定的变量得以计算。例如，一种液体的汽化热，可以通过测量几个温度的蒸汽压和几个温度下液相和汽相的密度得以计算；某一化学反应中任一温度下的可得的最大转化率，可以通过参与该反应的各物质的热量法测量加以计算。2. 热力学的本质热力学定律有这经验的基础或实验基础，但是在描述其应用时，依赖实验测量显得很明显化学工程与工艺专业英语第十一单元化工热力学（stand out 突出）。因此，热力学广义上可以定义为：拓展我们实验所得的体系知识的一种手段（方法），或定义为：观察和关联一个体系的行为的基本框架。为了理解热力学，拥有实验的观点有必要，因为，如果我们不能对研究的体系或现象做出物理上正确的评价，那么热力学的方法就无意义。我们应该要经常问问如下问题：怎样测量这一特殊的变量？怎样计算以及从哪一类的数据计算一个特殊的函数。由于热力学的实验基础，热力学处理的是宏观函数或大量的物质的函数，这与微观的函数恰恰相反，微观函数涉及到的是组成物质的原子或分子。宏观函数要么可以直接测量，要么可以从直接测量的函数计算得到，而不需要借助于某一具体的理论。相反，尽管（while）微观函数最终是从实验测量得以确定，但是它们的真实性取决于用于它们计算时的特殊理论的有效性。因此，热力学的权威性在于：它的结果与物质的理论无关，倍受尊敬，为大家大胆地接受。除了与热力学结论一致的必然性以外，热力学有着广泛的应用性。因此，热力学形成了许多学科中的工程师和科学家的教育中不可分割的部分。尽管如此，因为每门科学都只局限于（focus on）关于热力学方面的较少应用，所以其全貌常被低估。实际上，在明显的（可观察到）可再现的平衡态中存在的任何体系，都服从与热力学方法。除了流体、化学反应系统和处于相平衡（化学工程师对这些十分感兴趣）之外，热力学也成功适用于有表面效应的系统、受压力的固体以及处于重力场、离心力场、磁场和电场的物质。通过热力学，可以被确定用于定义和确定平衡的位能，并将之定量化。位能也可以确定一个体系移动的方向以及体系达到的终态，但是不能提供有关到达终态所需要的时间的信息。因此，时间不是热力学的变量，速度的研究已超出了热力学的范畴，或者除了体系接近平衡的极限以外，速率的研究属于热力学的范畴。在这儿，速率的表达式应该在热力学上是连续的。热力学定律建立于实验和观测基础之上的，这些实验和观测既不是最重要的，又不复杂。同时，这些定律的本身是用相当普通语言加以描述的。然而，从这一明显的平淡的开始，发展成为一个很大的结构，这种结构对人类思想归纳力做出了贡献。这在想象力丰富、严肃认真的学生中成功地激发了敬畏（inspire awe），这使得Lewis 和Randall 将热力学视为科学的权威。因为除了技术上的成功和结构的严密性，这个比喻选择很恰当，我们可观察到美妙之处（和宏观体）。因此，毫无疑问，热力学的研究在学术上有价值的，智力上可以得到激发，同时，对一些人来说，是一种很好的经历。3. 热力学定律第一定律. 热力学第一定律是能量守恒的简单的一种描述。如图3-1 所示，稳态时离开一个过程的所有能量的总和必须与所进入该过程的能量总和相等。工程师在设计和操作各种过程时绝对遵循质量和能量守恒定律。所不幸的是，就其本身而言，当试图评估过程的效率时，第化学工程与工艺专业英语第十一单元化工热力学3一定律引起混淆不清。人们将能量守恒视为一种重要的努力成果，但是事实上，使能量守恒不需要花任何努力 能量本身就是守恒的。因为第一定律没有区分各种各样能量的形式，所以从第一定律所得到的结论是有限的。由往复泵引入的轴功会以热量流向冷凝器的形式离开蒸馏塔，与在再沸器引入的热一样容易。在试图确定过程的效率时，一些工程师总掉入将各种形式的能量一起处理的陷阱。这种做法明显是不合理，因为各种能量形式有着不同的费用。第二定律第二定律应用于热转变为功的循环，有多种不同的描述。至于这一点，一种更加普通的描述是需要的：从一种形式的能量到另一种形式的能量的转换，总是导致质量上总量的损失。另一种描述为：所有系统都有接近平衡（无序）的趋势。这些表达方式指出了在表达第二定律时的困难之处。如果不定义另一个专门描述质量或无序的词语，第二定律的表达就不能令人满意。这个专用名词为熵。这个状态函数对流体、物质或系统中的无序程度进行了定量化。绝对零熵值定义绝对零度时纯净的、晶体固体的状态。每一个分子都由其他的以相当有序结构的相同的分子所包围。运动、随意、污染、不确定性，这一切都增加了混乱度，因此对熵做出了贡献。相反，不论是透明宝石，还是纯净化学产品，还是清洁的生活空间，还是新鲜的空气和水，（都是属于有序状态），有序是有价值的。有序需要付出很高的代价，只有通过做功才得以实现。我们很多工作都花费在家里、车间和环境中创造或恢复有序状态。环境中较高的熵值是较高的生产费用的具体化表现。每一种生产过程的目的都是，利用将混合物分离为纯净物、减小我们知识的不确定性、或是从原料创造（works of art）艺术品以减小熵值。总之，从将原料转变为产品的过程中，熵值不断减小。然而，（inasmuch as）因为随着系统接近平衡，熵的增加是自发的趋势，所以减少熵值是艰难的工作（struggle）。生产过程所需熵减的驱动力同时伴随着宇宙其余部分熵的剧增。一般说来，这种熵的增加在同一工厂内不断持续下去，因此这种造成了产品熵的减小。反过来（whereas 而，却，其实，反过来），熵减存在于原料向产品的转化过程。燃料、电、空气以及水向燃烧产品、废水和无用的热量的形式的转化可表示熵值的大大增加。正象图3-1 中中间部分描述为第一定律一样，图中的底线部分描述了第二定律。离开一个过程的所有的物流的熵值的总和，总是超过进入该过程的物流的熵值的总和。如果熵达到平衡，象质量和能量达到平衡一样，那么该过程是可逆的，即该过程也会反向移动。可逆过程只是在理论上是可能的，需要动力学平衡维持连续存在，因此可逆过程是不可产生的。而且，如果不化学工程与工艺专业英语第十一单元化工热力学4平衡（过程）倒过来，即如果有净熵的减少，那么所有的箭头也要反向，该过程被迫反向进行。实质上，是熵增驱使该过程：是同一种驱动力使水向下流，热流从热物质流向冷物质，使玻璃打碎，金属腐蚀。简而言之，所有事物都同它们周围的环境接近平衡。第一定律，需要能量守恒，所有形式能量变化有着相同的重要性。尽管所有过程都受第一定律权威性的影响，但是该定律不能区分能量的质量，也不能解释为什么观察不到自发发生的过程自发地使自身可逆。功可以全部转化为热而反向转换从来不会定量发生，这种反复验证过的观测达成了这样的共识 热是一种低质量的能量。第二定律，深深扎根于热发动机效率的研究，能分辨能量的质量。通过这一定律，揭示了以前未认可的函数 熵的存在，可以看出，该函数确定了自发变化的方向。第二定律并没有（in no way）减小第一定律的权威性；相反，第二定律拓展和加强了热力学的权限。第三定律热力学第三定律规定了熵的绝对零值，描述如下：对于那些处在绝对零度的完美晶体的变化来说，总的熵的变化为零。该定律使用绝对值来描述熵。Unit 12 what do we mean by transport phenomena ?传递现象是工程科学三个典型领域系统性和综合性研究的总称：能量或热量传递，质量传递或扩散，以及动量传递或流体力学。. 当然，热量和质量传递在流体中经常发生，正因如此一些工程教育家喜欢把这些过程包含在流体力学的范畴内。由于传递现象也包括固体中的热传导和扩散，因此，传递现象实际上比流体力学的领域更广。传递现象的研究充分利用描述传热，传质，动量传递过程的方程间的相似性，这也区别于流体力学。这些类推(通常被这么叫)常常可以与传递现象发生的物理机制间的相似性关联起来。因此，一个传递过程的理解能够容易促使其他过程的理解。而且，如果微分方程和边界条件是一样的，只需获得一个传递过程的解决方案即可，因为通过改变名称就可以用来获得其他任何传递过程的解决方案。必须强调,虽然有相似之处,也有传递过程之间的差异,尤其重要的是运输动量(矢量)和热或质量(标量). 然而,系统地研究了相似性传递过程之间的相似性,使它更容易识别和理解它们之间的差别。1 怎么研究传递过程？ 为了找出传递过程间的相似性，我们将同时研究每一种传递过程取代先研究动量传递，再传热，最后传质的方法。除了促进理解之外，对于不使用在其他教科书里用到的顺序法还有另一个教学的原因：在三个过程中，包含在动量传递研究中的概念和方程对初学者来说是最难以理解并使用。因为在不具有有关动量传递的知识前提下一个人不可能完全理解传热和传质，在顺序法的情况下他就被迫先研究最难的课程即动量传递。另一方面，如果课程同时被研究，通过参照有关传热的熟悉课程动量传递就变得更好理解。而且，平行研究法可以先研究较为简单的概念，再深入到较难和较抽象的概念。我们可以先强调所发生的物理过程而不是数学性步骤和描述。例如，我们将先研究一维传递现象，因为它在不要求矢量标注下就可以被解决，并且我们常常可以使用普通的微分方程代替难以解决的偏微分方程。加上传递现象的许多实际问题可以通过一维模型解决的这样一个事实，这种处理做法也是合理的。2. 为什么工程师要研究传递现象？ 因为传递现象这个学科牵扯到自然界定则，一些人就把它划分为工程的一个分支。正因如此，对于那些关心工厂和设备设计和操作经济性的工程师而言，十分应该探知在实际中传递现象如何起到价值作用。对于那些问题有两种通用型答案。第一种要求大家认识到传热，传质和动量传递发生在许多工程设备中，如热交换器，压缩机，核化反应器，增湿器，空气冷却器，干燥器，分离器和吸收器。这些传递过程也发生在人体内以及大气中污染物反应和扩散的一些复杂过程中。如果工程师要知道工程设备中正在发生什么并要做出能达到经济性操作的决策，对主导这些传递过程的物理定律有一个认识很重要。第二种答案是工程师需要能够运用自然定律的知识设计包含这些过程的工艺设备。要做到这点，他们必须能够预测传热，传质，或动量传递速率。例如，考虑一个简单的热交换器，也就是一根管道通过维持壁温高于流经管道的流体温度来加热流体。热量从管壁传递到流体的速率取决于传热系数，传热系数反过来取决于管的大小，流体流速，流体性质等。传统上传热系数是在耗费和耗时的实验室或模范工厂的测量之后获得并且通过使用一维经验方程关联起来。经验方程是适合一定数据范围的方程，它们不是建立在理论基础上而且在应用数据的范围外不能被精确使用。使用在传递现象中比较不耗费和通常较为可靠的方法是从以自然定律为基础的方程中预测传热系数。预测的结果将由一个研究工程师通过解一些方程获得（常常在电脑上）设计工程师再使用由研究工程师获得的关于传热系数的方程。要记住无论传热系数是怎么得来的设计热交换器的工作将基本上是一样的。正因如此，传递现象的一些课程只强调传热系数的决定而把真正的设计步骤留给单元操作中的一个课程。当然，能获得参数也就是设计中使用的传热系数是事实，并正因此，一个传递现象课程可被视为一个工程课程或一个科学课程。实际上，在设备设计中有一些情况下设计工程师可能直接使用传递现象的方法和方程。一种情况就是设计可以被称为管道的管式反应器，如，前面所提过的热交换器，在它里面的液相中发生着一个均相化学反应。流体以一定浓度的反应物流进并以浓度降低的反应物和浓度增加的产物流出反应管。如果反应是放热的，为了移除化学反应生成的热量反应器壁通常维持在一个低的温度。因此沿径向方向也就是说随离管道中心线距离的增大，温度降低。再者，因为反应速率随温度升高而增大，在温度高的中心处的反应速率高于温度低的管壁处的反应速率。结果，反应产物将倾向于在中心线处积累而反应物在靠近管壁处积累。因此，沿径向和横向浓度和温度都将改变。为了设计反应器我们需要知道在任意给定的管长下产物的平均浓度。由于这个平均浓度是将整个反应器内每个点的浓度平均起来得到的，实际上我们需要得到反应器内每个点的浓度，也就是说，在每个径向和横向位置。但是为了计算每个点的浓度我们需要知道每个点处的反应速率，而为了计算每个点处的速率我们需要知道温度和浓度！而且，为了计算温度我们也要知道每个点处的反应速率和速度。我们将不得到所包含的方程，但显然有一组必须由精细繁琐的步骤解决的复杂偏微分方程（通常在电脑上）。我们不能通过用于单元操作课程中关于热交换器的经验设计步骤来解决这样一个问题，应该是明显的。然而传递现象的理论和数学步骤是必不可少的，除非一个人愿意花金钱和时间去建立规模不断扩大的模范工厂并测出每一个工厂的产率。 即便最后的扩大规模是靠不住和不确定的。当然，并非今天所有的问题都能通过传递现象的方法解决。然而，随着电脑科技的发展，越来越多的问题通过这些方法正被解决。如果工程学学生要得到一个不过时的教育，他们必须通过理解传递现象的方法准备好去充分利用将在未来形成的计算机计算。由于其极大的潜能及当前的实用性，在一个大学生的在校学习生涯中，传递现象这门课程或许最终证明是最实用和有用的课程。Unit 13 Unit Operations in Chemical Engineering化学工程中的单元操作化学工程由不同顺序的步骤组成，这些步骤的原理与被操作的物料以及该特殊体系的其他特征无关。在设计一个过程中，如果（研究）步骤得到认可，那么所用每一步骤可以分别进行研究。有些步骤为化学反应，而其他步骤为物理变化。化学工程的可变通性（versatility）源于将一复杂过程的分解为单个的物理步骤（叫做单元操作）和化学反应的实践。化学工程中单元操作的概念基于这种哲学观点：各种不同顺序的步骤可以减少为简单的操作或反应。不管所处理的物料如何，这些简单的操作或反应基本原理（fundamentals）是相同的。这一原理，在美国化学工业发展期间先驱者来说是明显的，首先由A.D.Lttle 于1915 年明确提出：任何化学过程，不管所进行的规模如何，均可分解为（be resolvedinto）一系列的相同的单元操作，如：粉碎、混合、加热、烘烤、吸收、压缩、沉淀、结晶、过滤、溶解、电解等等。这些基本单元操作（的数目）为数不多，任何特殊的过程中包含其中的几种。化学工程的复杂性来自于条件（温度、压力等等）的多样性，在这些条件下，单元操作以不同的过程进行，同时其复杂性来自于限制条件，如由反应物质的物化特征所规定的结构材料和设备的设计。最初列出的单元操作，引用的是上述的十二种操作，不是所有的操作都可视为单元操作。从那时起，确定了其他单元操作，过去确定的速度适中，但是近来速度加快。流体流动、传热、蒸馏、润湿、气体吸收、沉降、分粒、搅拌以及离心得到了认可。近年来，对新技术的不断理解以及古老但很少使用的分离技术的采用，引起了分离、处理操作或生产过程步骤上的数量不断增加，在多种操作中，这些操作步骤在使用时不要大的改变。这就是“单元操作”这个术语的基础，此基础为我们提供了一系列的技术。1.单元操作的分类（1）流体流动流体流动所涉及到的是确定任何流体的从一位置到另一位置的流动或输送的原理。（2）传热该单元操作涉及到（deal with）原理为：支配热量和能量从一位置到另一位置的积累和传递。（3）蒸发这是传热中的一种特例，涉及到的是在溶液中挥发性溶剂从不挥发性的溶质（如盐或其他任何物质）的挥发。（4）干燥在该操作中，挥发性的液体（通常是水）从固体物质中除去。（5）蒸馏蒸馏是这样一个操作：因为液体混合物的蒸汽压强的差别，利用沸腾可将其中的各组分加以分离。（6）吸收在该操作中，一种气流经过一种液体处理后，其中一种组分得以除去。（7） 膜分离该操作涉及到液体或气体中的一种溶质通过半透膜向另一种流中的扩散（8）液-液萃取在该操作中，（液体）溶液中的一种溶质通过与该溶液相对不互溶的另一种液体溶剂相接触而加以分离。（9）液-固浸取在该操作所涉及的是，用一种液体处理一种细小可分固体，该液体能溶解这种固体，从而除去该固体中所含的溶质。（10） 结晶结晶涉及到的是，通过沉降方法将溶液中的溶质（如一种盐）从该溶液中加以分离。（11）机械物理分离这些分离方法包括，利用物理方法分离固体、液体、或气体。这些物理方法，如过滤、沉降、粒分，通常归为分离单元操作。许多单元操作有着相同的基本原理、基本原则或机理。例如，扩散机理或质量传递发生于干燥、吸收、蒸馏和结晶中，传热存在于干燥、蒸馏、蒸发等等。2. 基本概念因为单元操作是工程学的一个分支，所以它们同时建立在科学研究和实验的基础之上。在设计那些能够制造、能组合、能操作、能维修的设备时，必须要将理论和实践结合起来。下面四个概念是基本的（basic），形成了所有操作的计算的基础。物料衡算如果物质既没有被创造又没有被消灭，除了在操作中物质停留和积累以外，那么进入某一操作的所有物料的总质量与离开该操作的所有物料的总质量相等。应用该原理，可以计算出化学反应的收率或工程操作的得率。在连续操作中，操作中通常没有物料的积累，物料平衡简单地由所有的进入的物料和所有的离开的物料组成，这种方式与会计所用方法相同。结果必须要达到平衡。只要（as long as）该反应是化学反应，而且不消灭或创造原子，那么将原子作为物料平衡的基础是正确的，而且常常非常方便。可以整个工厂或某一单元的任何一部分进行物料衡算，这取决于所研究的问题。能量恒算相似地，要确定操作一操作所需的能量或维持所需的操作条件时，可以对任何工厂或单元操作进行能量衡算。该原理与物料衡算同样重要，使用方式相同。重要的是记住，尽管能量可能会转换为另一种等量形式，但是要把各种形式的所有的能量包括在内。理想接触（平衡级模型）无论（whenever）所处理的物料在具体条件（如温度、压强、化学组成或电势条件）下接触时间长短如何，这些物料都有接近一定的平衡条件的趋势，该平衡由具体的条件确定。在多数情况下，达到平衡条件的速率如此之快或所需时间足够长，以致每一次接触都达到了平衡条件。这样的接触可视为一种平衡或一种平衡接触。理想接触数目的计算是理解这些单元操作时所需的重要的步骤，这些单元操作涉及到物料从一相到另一相的传递，如浸取、萃取、吸收和溶解。操作速率（传递速率模型）在大多数操作中，要么是因为时间不够，要么是因为不需要平衡，因此达不到平衡，只要一达到平衡，就不会发生进一步变化，该过程就会停止，但是工程师们必须要使该过程继续进行。由于这种原因，速率操作，例如能量传递速率、质量传递速率以及化学反应速率，是极其重要而有趣的。在所有的情况中，速率和方向决定于位能的差异或驱动力。速率通常可表示为，与除以阻力的压降成正比。这种原理在电能中应用，与用于稳定或直流电流的欧姆定律相似。用这种简单的概念解决传热或传质中的速率问题时，主要的困难是对阻力的估计，阻力一般是通过不同条件下许多传递速率的确定式（determination）的经验关联式加以计算。速率直接地决定于压降，间接地决定于阻力的这种基本概念，可以运用到任一速率操作，尽管对于特殊情况的速率可以不同的方式用特殊的系数来表达。Unit 20 Material Science and Chemical Engineering材料科学和化学工程几年以前，谁会想到一架飞机可以绕地球航行而中途不需要着陆或添加燃料？而在1986年新型的飞机航海者就做到了这一点。航海者具备长途飞行能力的秘密就在于几年前还没有出现的先进的材料。其机身大部分是由强度大、质量轻的聚合纤维用耐久的、高强度的粘合剂组装而成的。而发动机润滑油是合成的多组分液体，可维持很长时间连续运转的润滑性。这些特殊材料具有科学家和工程师们为满足现代社会的需求所发明的先进技术。如运输、通讯、电子、能量转换这些工业的未来多依赖新的、先进的材料以及生产中所需要的加工技术。近年来，在我们了解了如何把一些特殊的具有高性能的物质融入原材料并且怎样最好地在复杂设计中使用这些材料后，这方面已有了很大的发展。材料科学和工程的革命为化学工程师带来了机会，也带来了挑战。化学工程师凭借他们在化学、物理和数学方面的知识基础以及他们对传输现象、动力学、反应工程和过程设计的了解，能够创造性地解决现代材料技术中的问题。但是他们一定要摈弃掉传统职业理念中“考虑大的”这个习惯，要有效地投入现代材料科学和工程中必须要学会“从小处思考”。在制造现代先进材料时的关键现象是发生在分子级和微观的水平。如果化学工程师要为这些新材料设计新产品和工艺就必须了解并且学会控制这些现象。在下面选择介绍的几种材料领域里我们将叙述这种困难的挑战。1聚合物 现代聚合物科学的时代属于化学工程师。这些年来，聚合物化学家创造了大量的高分子和聚合物。然而了解这些高分子是怎样被合成并加工以最大限度地具备理论性质仍然是研究的前沿领域。一直到最近才开发了现代仪器帮助我们了解高分子之间、高分子与固体粒子、有机和无机纤维与其它界面之间的相互作用。化学工程师正使用这些工具探索高分子的微型动力学现象，他们利用从这些技术中获得的知识，正在处理高分子间的反应以开发先进的工艺并制造新的材料。通过化学加工控制材料微型结构的能力可用现代高强度聚合纤维进行描述。一些聚合纤维的强度-质量比比钢铁高一个数量级。它的自由取向是由所选择的加工条件以及芳香族聚酰胺的高度刚性的线性分子结构所决定的。在纺丝时，液相中的定向部分是围绕纤维轴方向排列而使得纤维具有高强度和高硬度，各向异性的纺丝纤维的概念则在新聚合物如聚苯并噻唑、聚乙烯的溶解和熔融方面都有了延伸。超高强度的聚乙烯纤维是通过冻胶纺丝的方法制备的。同样的，控制聚合物的分子取向以生产高强度产品也可以通过其它的工艺途径，如在极其精确的条件下进行纤维拉伸而完成。除了这些可以得到具有特别高性能的材料的加工过程，化学工程师们还设计一些新的工艺过程以生产低成本的聚合物。2聚合复合材料复合材料包括在一个聚合物母体上嵌入或粘合上高强度或高模数纤维。这些纤维可能是短的、长的或连续的。它们可能是随意取向的而使复合材料在所有方向上都具有较大的强度或硬度，也可能沿某个特殊方向取向而使复合材料的高性能优先沿着某个轴线表现出来。后者是根据一向微结构加固的原理，通过不连贯的、拉伸支撑电缆线或电缆条达到目的。要得到在多个方向上具有优良性能的材料，可以通过改变角度粘结各向异性的复合片得到合成板。另一方面，两向强化的材料可以通过把高性能的纤维编织成一个平面，面上有足够的粘结力而使加固结构表现得就像联结起来的网或桁架。你可以想象，化学工程师和纺织工程师之间的学术合作将有利于选择经线、纬线和高强度纤维的编织方法，以得到高选择性能分布的桁架型的复合材料。第一代聚合合成材料（如玻璃纤维）使用热固性环氧树脂聚合物。它是用任意取向的短玻璃纤维进行强化的。环氧树脂填充在一个模型中被塑化成永久的形状而得到轻质的、强度适当的模制塑胶。现代复合材料是用手工把编织好的玻璃纤维放到模具或预型件中，然后用树脂灌注，固化成型后制得的。这些复合材料最先是使用在某些型号的军用飞机上。因为比较轻的机身使飞行巡航范围增大。今天，飞机和航空飞船的大部分部件都是这样制造的，而且汽车也正在加入到这个行列。现代复合材料正被应用于小汽车和载重卡车的车身面板、车棚、后行李箱盖、管道、驱动轴和燃料罐。在这些应用中，复合材料表现出比金属更好的强度-质量比和更优良的抗腐蚀性。例如，一种聚合复合材料制成的汽车车棚比用铝质的轻一点，比钢铁的轻两倍，但这种方法所需能量比钢铁的低一点，比铝的低20%。模塑和刀具加工的成本也比较低，使模型的改变可以更快而适应新设计的要求。这些复合材料表现出来的机械强度主要是由强化玻璃纤维决定的，尽管结构缺陷会使强度减弱。工程学研究正提供重要的信息说明材料结构是如何受到玻璃树脂的界面性质、构造空隙和类似缺陷的影响以及这些微缺陷是如何扩散产生构造裂缝的。这些复合材料以及从对它们的研究中获得的信息使人类进入到生产第二代聚合复合材料的阶段，即以高强度纤维如芳香族聚酰胺为基础的复合材料。3现代陶瓷对大多数人来说，“陶瓷”这个词会让人联想到瓷器、陶器、砖、瓦这些东西。现代陶瓷以它们的组成、加工过程和微细结构区别于这些传统的陶瓷。例如：传统的陶瓷是用天然的原料如粘土或硅石制成的。现代陶瓷则要求非常纯的人造原料如碳化硅、氮化硅、氧化锆或氧化铝，可能还要渗入一些复杂的添加剂来产生特殊的微结构。传统陶瓷是先在陶工轮上或粉浆浇注成型，然后在窑里烧结定型。现代陶瓷是用更为复杂的工艺过程如高温静压成型法来定型的。传统陶瓷的微结构容易形成在光学显微镜下就可以看见的裂痕。而现代陶瓷的微结构则要均匀得多，一般要在5万倍或更大倍数的电子显微镜下才能检查出瑕疵来。现代陶瓷的应用范围更为广泛。在很多情况下，现代陶瓷并未直接成为最终产品，而是组合在一些复杂的系统中成为优良性能的关键部分。现代陶瓷的商业应用可以在切削工具、发动机喷嘴、涡轮和涡轮增压器的元件、太空舱的瓦面、储藏原子和化学废物的圆柱体、气体和石油钻探阀、电动极板和防护罩以及腐蚀性液体中的电极等等方面看见。4陶瓷合成材料像聚合复合材料一样，陶瓷复合材料也包括在连续的基质上嵌入高强度或高模数的纤维。纤维可以是碳化硅或氧化铝以“晶须”的形式出现，然后生长为单个晶体。这与同样的物质直接嵌入在大块陶瓷上相比较所产生裂纹较少。陶瓷复合体上的纤维可以阻碍裂纹的扩散。正在生长的裂纹会向纤维处偏移或使纤维脱离基质。这两个过程都要吸收能量，从而减慢了裂纹的扩散。陶瓷复合材料的强度、硬度和韧性主要取决于强化纤维，但是基质也会对这些性质产生影响。复合材料的导热和导电性能受基质传导系数的影响很大。纤维和基质之间的相互作用对复合材料机械性能的影响也很大，并可通过纤维表面纤维和基质间的化学兼容性进行调整，这两种物质粘合在一起的前提就是基质以流体形态存在时能润湿纤维。两种组分间形成了化学键。与现代陶瓷的产生一样，化学反应在陶瓷复合材料的加工制造中也充当了关键的角色。这些复合材料要求无瑕疵的陶瓷纤维、纤维和母体间有最适当的作用力，这才能在使用中展现所预想的机械性能。在实际的制造过程中设计这样的化学反应要求化学工程师具备专业的知识。5复合液体最后一类重要的复合材料是复合液体。复合液体是高结构液体，以悬浮液、表面活性剂、液晶相或其它大分子与固体微粒或液滴组成。许多复合液体对现代工业和社会都是必不可少的，因为它们表现出来的性质对一些特殊用途是非常重要的。这些用途包括润滑剂、水力牵引液体以及油田钻井泥浆，油漆、涂料和粘合剂也可能是合成液体。确实，在任何情况下，如果好的液体状态对某种传递和反应是重要的，那么合成液体就是有价值的。化学工程师长期涉足材料科学和工程学研究工作。随着新材料的开发，其性质越来越依赖微结构和加工过程，研究程度也将深入。化学工程师将探索微结构的本质它是如何在材料中形成的， 哪些因素可以用来控制它。他们将采用新的方式把传统的分离开来的材料合成和材料加工融合起来。他们还将用新方法解决构造的问题，修复复杂的材料系统。Unit 21 Chemical Industry and Environment化学工业与环境我们怎样才能减少产生废物的数量？我们怎样才能使废弃物质和商品纳入循环使用的程序？所有这些问题必须要在未来的几年里通过仔细的研究得到解决，这样我们才能保持文明与自然的平衡。1大气化学 燃煤发电厂像一些自然过程一样，也会释放硫化合物到大气层中，在那里氧化作用产生硫酸颗粒能反射入射进来的可见太阳辐射。在对流层，化石燃料燃烧所产生的氮氧化物在阳光的影响下与许多有机物分子结合产生都市烟雾。挥发的碳氢化合物异戊二烯，也就是众所周知的合成橡胶的结构单元，可以在森林中天然产生含氯氟烃。我们所熟悉的CFCs，在汽车空调和家用冰箱里是惰性的，但在中平流层内在紫外线的照射下回发生分解从而对地球大气臭氧层造成破坏，全球大气层中臭氧的平均浓度只有3ppm，但它对所有生命体的生长发育都起了关键的保护作用，因为是它吸收了太阳光线中有害的短波紫外辐射。在过去的二十年中，公众的注意力集中在人类对大气层的改变：酸雨、平流层臭氧空洞、温室现象，以及大气的氧化能力增强，前几代人已经知道，人类的活动会对邻近的环境造成影响，但意识到像酸雨这样的效应将由局部扩展到洲际范围则是慢慢发现的。随着臭氧空洞问题的出现，考虑到对全球的威胁，我们已真正进入到全球话改变的时代，但是基本的科学论据还没有完全建立。2生命周期分析产品生命循环周期的每一个阶段都会对环境造成影响。从原材料的提取，到加工、制造和运输的过程，最后到被消耗和丢弃或回收，每一个阶段都对工艺学和化学提出了挑战。重新设计产品和过程以减少对环境的影响需要新的生产原理和在不同的水平层面上理解化学变化，对环境友善的产品要求有新的原料，它们应是可再使用的，可循环的，或者可生物降解的。物质的性质是由其化学组成和结构决定的，要减少废品和有污染的副产品，就要开发新的化学工艺线路，已开发的化学分离技术需要有效地提高以分离出剩余的污染物，这反过来又要求新的化学处理方法使它们变得无害。而诸如放射性元素和那些不容易转化为无害物质的重金属污染物则需要把它们固定为惰性物质以便能安全地储放。还有最后一点，早期的污染残留物，对环境污染程度尚未很意识到的一些物质要求进一步用化学和生物的修复技术进行处理。了解化学反应的机理可以帮助我们发现以前不知道的环境问题，CFCs对臭氧层造成的威胁能够正确地预防要得益于大气化学的基础研究。由此导致了国际上一致同意逐步取消这些产品的生产。而代之以作用相同但对环境更为友善的其它产品。另一方面，南极上空臭氧空洞的出现使科学家们大为震惊，随后才发现了以前所不了解的南极寒冷的平流层内硝酸晶体表面所发生的氯原子的反应。这对我们进一步了解自然界中所发生的化学反应过程是非常重要的。不管这些反应是发生在淡水中，海水中，土壤里，地下环境或是大气中。3对环境影响最小的生产把废物排放到空气、水或土壤中不仅对环境造成了直接的影响，还是对自然资源的一个潜在的浪费。早期减少化学过程对环境影响的工作主要集中在工厂废气排放如环境之前有害物质的分离，但这种思路只考虑了问题的一半。因为一个理想的化学过程，也就是没有有害的副产品产生的过程应在一开始就建立好，任何排放物至少应像进入到工厂内的空气和水一样干净。这样的过程才可以称是“与环境友善的”。对健康有害影响的关注逐渐升级，人们首先考虑到如何消除或减少工业过程中所用有害化学物质的数量。最好的方法是寻找替代的化学产品，它们能起到一样的作用但毒害性较小。如果不能寻找到一种有毒化学物质的替代品，那么比较好的战略思想是开发一种就地生产的工艺，而且只生产当时所需要的那么多的数量。革新的化学方法已开始设计对环境合理的工艺过程，以便更为有效的使用能量和原材料。例如，催化剂方面的近期进展使化学反应可以在较低的温度和压力下进行。反过来，这种改变又减少了这些过程的能量需求，简化了制造加工设备对构成材料的选择，新的催化剂还用于避免生产不希望的副产品。4. 发电厂排放物的控制 通过燃煤、燃油和燃烧天然气产生能量的设备都会排放出一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物以及许多其它不受欢迎的副产物如灰尘和痕量的汞。现在可以采用一系列不断发展的技术来减少不希望有的物质的排放以适应国家和地区标准的要求。化学家和化学工程师对工业水平的进步做出了巨大的贡献。而催化科学为开辟这些前沿领域正在扮演重要的角色。同时控制多种污染物是近年来开发先进的催化剂或吸附剂技术的目的。例如，催化方法可以使汽车尾气中CO氧化的同时，还原氮的氧化物。另一些研究工作则定位于在中试阶段通过一种吸附剂的作用同时去除烟道气中的硫和氮氧化物，而不会产生大量的废物。1 对环境友善的产品对产品在环境中的变化越来越了解使得科学家们开始设计“绿色”产品。一个重要的例子来自1940-1950s的洗涤剂工业。当时以支链烷基苯磺酸盐为表面活性剂的新产品被引入。这些洗涤剂洗涤效率更高。但其后发现这些物质残留在废水中在河面上形成泡沫。问题追溯到这些支链的烷基苯磺酸盐：它不像以前人们所使用的肥皂。它不能