《化工热力学》教学大纲

1、化工热力学教学大纲课程编号课程性质必修课程名称化工热力学学时/学分48英文名称Chemical Engineering Thermodynamics考核方式考试+平时成绩选用教材冯新 宣爱国.化工热力学(第2版).北京:化学工业出版社，2018课程负责人方芬先修课程高等数学 物理化学 化工原理大纲执笔人方芬适用专业化学工程与工艺大纲审核人范辉一课程的性质、目的及任务化工热力学是化学工程学的一个重要分支和基础学科，是化工类专业必修的专业基础课程。它是化工过程研究、开发与设计的理论基础，是一门理论性与应用性均较强的课程。该课程系统地介绍了将热力学原理应用于化学工程技术领域的研究方法。本课程是化学工

2、程学的重要组成部分，是化工过程研究、开发和设计的理论基础。通过本课程的理论教学，使学生具备下列能力：（1）理解热力学性质P-V-T间的关系，应用P-V相图分析物质状态的变化过程，应用状态方程、三参数对应态原理求解压缩因子；（2）理解Maxwell关系式的目的，应用热力学基本方程、Maxwell关系式给出热力学性质的普遍关系式。理解剩余性质，应用剩余性质的计算方程、热力学性质图表分析、设计、计算获取真实气体的热力学性质的数据；（3）理解溶液热力学性质，应用状态方程、三参数对应态原理和活度系数组成关系式计算溶液热力学性质：逸度系数和活度系数；（4）应用各种物理变化过程中达到平衡的理论极限、条件和状

3、态，能够进行相平衡数据的计算，为分离过程提供相平衡数据；（5）应用热力学第一、第二定律研究化工过程各种能量的相互转化及其有效利用，进行化工过程热力学分析，培养学生节约能源、合理利用能源的观点。本课程的目的和任务：使学生在掌握热力学的基本原理、基本计算技能的基础上，联系化工过程中的实际问题，培养学生独立地分析问题和解决问题的能力，为今后的化工研究、设计及生产奠定扎实的基础。二课程目标与支撑毕业要求观测点的对应关系课程目标支撑毕业要求观测点支撑理由课程目标1：使学生具备获取热力学性质数据的能力（查阅文献、建立数学模型等），培养学生树立工程观点，提高理论联系实际的工程实践能力。毕业要求：1. 工程知

4、识：能够将数学、自然科学、工程基础和化学工程专业等知识用于解决复杂工程问题。观测点1.3：能会对具体化工过程建立合适的数学模型，并利用恰当的边界条件求解；观测点1.4：能将专业知识和数学模型的方法用于化学过程的极限和优化途径的分析和判别。学生要获取热力学性质数据必须会对具体化工过程建立合适的数学模型，并利用恰当的边界条件求解，同时能将专业知识和数学模型的方法用于化学过程的极限和优化途径的分析和判别。因此，课程目标1能够支撑毕业要求观测点1.3和1.4。课程目标2：使学生能够运用各种物理过程中达到平衡的理论极限、条件和状态等知识，识别和判断相平衡和能量平衡问题的关键过程及制约因素。毕业要求：2.

5、 问题分析能力：能够应用数学、自然科学、工程科学的基本原理及化学工程专业知识，识别和表述工程问题，并通过查阅文献研究分析化工领域的复杂工程问题，获得对问题的正确认识并得出有效结论。观测点2.1：能运用相关科学原理，识别和判断化学工程问题的关键过程及制约因素。 平衡问题的分析必须要能运用平衡的理论极限、条件和状态的知识，识别和判断平衡问题的关键过程及制约因素。因此，课程目标2能够支撑毕业要求观测点2.1。课程目标3：使学生能够基于各种物理过程中达到平衡的理论极限、条件和状态等知识和状态方程和活度系数方程，表达相平衡过程；以热力学第一、第二定律为基础，研究化工过程各种能量的相互转化及其有效利用，给

6、出能量分析过程问题解决方案。毕业要求：2. 问题分析能力：能够应用数学、自然科学、工程科学的基本原理及化学工程专业知识，识别和表述工程问题，并通过查阅文献研究分析化工领域的复杂工程问题，获得对问题的正确认识并得出有效结论。观测点2.2：能基于相关科学原理和数学模型方法，正确表达化学工程问题的解决方案。化工相平衡过程和化工过程能量分析必须要基于相平衡、热力学第一、二定律和EOS、活度系数与组成等原理和数学模型，正确表达出相平衡问题的解决方案。因此，课程目标3能够支撑毕业要求观测点2.2。课程目标4：使学生能够认识到相平衡、能量分析和热力学循环过程有多种方案，找到适宜解决方案。毕业要求：2. 问题

7、分析能力：能够应用数学、自然科学、工程科学的基本原理及化学工程专业知识，识别和表述工程问题，并通过查阅文献研究分析化工领域的复杂工程问题，获得对问题的正确认识并得出有效结论。观测点2.3：能认识到解决问题有多种方案可选择，寻找适宜的解决方案。化工相平衡过程、化工过程能量分析和热力学循环过程分析有多种方案可选择，需要学生认识到并且寻找适宜的解决方案。因此，课程目标4能够支撑毕业要求观测点2.3。课程目标5：使学生能够基于剩余性质、偏摩尔性质和活度系数模型等理论，设计可行的实验方案，求取剩余性质、偏摩尔性质和活度系数模型参数。毕业要求：4. 科学研究：能够运用化学工程基本原理，采用科学方法对复杂化

8、学工程问题进行实验设计、数据分析与解释，并通过信息综合得到合理有效的结论。观测点4.2：能基于专业理论，根据对象特征，选择研究路线，设计可行的实验方案；基于剩余性质、偏摩尔性质和活度系数模型等理论，设计可行的实验方案，求取剩余性质、偏摩尔性质和活度系数模型参数。因此，课程目标5能够支撑毕业要求观测点4.2。三教学基本内容教学内容作业要求讲授学时(自学学时)支撑课程目标第一章 绪论1.1化工热力学的范畴1.2化工热力学在化工中的重要性1.3化工热力学的任务和主要研究内容1.4化工热力学处理问题的方法基本要求：1.了解化工热力学的范畴和在化工中的重要性2. 熟悉化工热力学的任务和主要研究内容。3.

9、 熟悉化工热力学处理问题的方法重点：化工热力学在化工中的重要性；化工热力学的任务和主要研究内容。难点：化工热力学处理问题的方法。自学内容：热力学的发展简史课堂作业：1.1 写出化工热力学的任务课外作业：回顾高等数学中有关求导和微分的知识2课堂目标1、2、3第二章 流体的pVT关系2.1. 纯流体的p-V-T关系2.2. 真实流体的状态方程2.3. 对比态原理及应用2.4. 真实流体混合物的P-V-T关系2.5. 液体的p-V-T关系基本要求：1. 熟悉纯物质的P-V-T相图及相图上的重要概念。2. 掌握维里方程及其应用，掌握R-K方程、SRK方程及P-R方程等三次型状态方程，能应用三次型状态方

10、程计算气体和液体的摩尔体积，了解多参数状态方程在化工过程中的应用。3. 理解对比态原理，掌握偏心因子和三参数普遍化关系。4. 了解液体的p-V-T 性质的计算及真实气体混合物性质的计算。重点：p-V图；立方型状态方程和维里方程；三参数对应态原理；普遍化压缩因子图和普遍化第二维里系数；混合规则难点：立方型状态方程的特点及计算；气体混合物的第二维里系数及应用自学内容：纯物质的p-T相图；推导RK方程参数a、b的表达式课堂作业：2.1 在pv相图中标注出各种变化的途径2.2 说明不同状态方程的特点2.3说明偏心因子的定义及物理意义课外作业：完成本章小结查阅有关状态方程的文献并写出感想。习题：1. 利

11、用状态方程求取热力学参数p-V-T；2. 利用对应态原理及应用（普维法和普压法）求取热力学参数p-V-T。6（1）课程目标1第三章流体的热力学性质3.1热力学性质间基本关系式 3.2热力学性质计算 3.3两相系统的热力学性质及热力学图表基本要求：1. 学会运用状态方程和普遍化关系式来计算能满足工程需要的流体的焓、熵等热力学性质。2. 掌握由单相纯物质性质计算两相区纯物质性质的方法，掌握工程上常用热力学图表的使用方法。重点：Maxwell关系式；剩余性质；水蒸气表；温熵图、压焓图、焓熵图难点：剩余性质的计算；水蒸气表和热力学性质图的应用自学内容：点函数与其导数之间循环关系的推导课堂作业：3.1

12、写出单相流体系统基本方程式3.2 说明Maxwell关系式的物理意义3.3 写出Maxwell关系式3.4 推导出熵、焓和内能的关系式3.5 写出剩余性质的定义式3.6说明剩余性质存在的意义3.7 绘制纯物质的温熵图3.8 写出两相区热力学性质的计算式3.9 说明干度的定义课外作业：完成本章小结习题：1. 剩余性质的计算；2. 过程的焓变、熵变、内能的变化的计算；3. 利用水蒸气表和热力学性质图计算水的热力学性质。6（1）课程目标1、5第四章 流体混合物的热力学性质4.1变组成体系热力学性质间关系式 4.2化学位和偏摩尔性质的定义和物理定义。 4.3逸度和逸度系数 4.4理想溶液和标准状态4.

13、5活度和活度系数4.6混合过程性质变化4.7超额性质4.8活度系数与组成关系式：正规溶液和无热溶液；Redlich-Kister经验式；Wohl型方程；局部组成概念和Wilson方程。基本要求：1. 正确理解偏摩尔性质、化学位、逸度、混合性质变化、超额性质和标准态等概念。2. 掌握均相流体混合物热力学性质关系式，会使用活度系数关系式。3. 了解由状态方程和混合规则推导混合物中组分逸度系数关系式的过程。4. 学会逸度和逸度系数计算方法。重点：偏摩尔性质的定义和物理意义；Gibbs-Duhem方程；混合性质变化；逸度和逸度系数的定义及物理意义；液体逸度；理想溶液的定义和标准态；活度和活度系数的定义

14、和物理意义；超额性质的定义和物理意义；超额性质和活度系数的关系；用van Laar和Wilson方程计算活度系数。难点：偏摩尔性质的计算；纯气体的逸度计算和气体混合物中组分逸度计算；混合物的逸度与其组分逸度之间关系。自学内容：混合过程的焓变及焓浓图课堂作业：4.1 写出变组成体系热力学性质间的关系 4.2 说明化学位和偏摩尔性质的定义4.3 说明化学位和偏摩尔性质的区别4.4 写出二元体系偏摩尔性质的计算式4.5 写出利用偏摩尔性质计算溶液广度性质的计算式4.6写出二元体系Gibbs-Duhem方程的表达式4.7 写出纯物质和混合物的逸度及逸度系数的定义4.8 说明混合物的逸度与其组分逸度之间

15、的关系4.9 说明理想溶液的逸度、标准态的意义4.10写出理想溶液各组分的偏摩尔性质与它们的纯物质性质之间关系4.11说明活度与活度系数的物理意义4.12 写出自由焓混合性质的变化量的表达式4.13 写出理想溶液的混合性质变化4.14 写出超额性质的定义式4.15 说明活度系数与超额自由焓之间的关系课外作业：完成本章小结习题：1. 混合物的偏摩尔性质的计算；2. 利用Gibbs-Duhem方程证明方程的合理性；3. 逸度的计算；4. 有关超额自由焓和活度系数的计算。5. 用van Laar和Wilson方程计算活度系数。12（6）课程目标1、5第五章 相平衡5.1相平衡判据与相律 5.2汽液平

16、衡的相图5.3汽液平衡计算基本要求：1. 掌握不同形式的二元汽液相图。2. 了解一般正偏差、一般负偏差和具有共沸点系统的相图特征。3. 掌握汽液平衡关系式及其应用。4. 掌握完全互溶体系在中低压下汽液平衡的计算方法，能借助于软件用活度系数法和状态方程法进行汽液平衡计算。重点：相平衡判据与相律；二元系统pT图及其临界特性；二元系统p-x-y、T-x-y和y-x相图的类型；汽液平衡计算的基本公式和计算类型；中、低压下汽液平衡计算；闪蒸计算。难点：中、低压下汽液平衡计算。自学内容：借助于软件用活度系数法和状态方程法进行汽液平衡计算。课堂作业：5.1 写出相平衡的判据与相律。5.2 说明单组分与二元体

17、系的pT相区别。5.3 说明共沸物的特点及类型。5.4 写出汽液平衡计算的基本公式及计算类型。5.5 绘制出低压下汽液平衡的计算框图。课外作业：完成本章小结习题：1. 中、低压下汽液平衡计算。8（2）课程目标2、3、4第六章 化工过程的能量分析6.1能量平衡方程及其应用 6.2熵方程6.3理想功和损失功及热力学效率6.4有效能与无效能6.5有效能衡算及有效能效率。基本要求：1.正确理解热力学第一定律和热力学第二定律。2.熟练掌握这两个基本定律在工程上的应用。3. 理解能量的可利用程度或品质的高低，明确认识能量损失不仅是数量上的损失，还包括由于过程的不可逆性所导致的能量品级的降低。重点：稳定流动

18、体系能量平衡方程及应用；熵增原理与熵产生；熵平衡方程；理想功、损失功、火用及热力学效率的定义及意义；火用衡算。难点：熵、理想功、损失功和火用等的概念及计算方法；各种热力学效率的计算。自学内容：化工过程与系统的有效能分析课堂作业：6.1说明稳流体系的定义6.2 写出稳流体系的能量平衡方程的数学表达式6.3 写出不同具体过程的能量平衡方程的简化式6.4 说明热功之间的不平等转化6.5 写出热力学第二定律的数学表达式6.6 说明熵增原理6.7 写出熵产生和熵流的定义6.8 写出熵平衡方程6.9 写出理想功、损失功和热力学效率的定义及计算式6.10 说明有效能和无效能的概念6.11 写出有效能的计算公

19、式课外作业：完成本章小结习题：1. 实际功、熵、理想功、损失功、热力学效率和有效能等的计算。10（5）课程目标3、4第七章 蒸汽动力循环和制冷循环7.1蒸汽动力循环 7.2节流膨胀与制冷循环基本要求：1. 掌握将热力学第一定律应用于动力循环和制冷循环中，进行热量、制冷量、功耗和循环效率的计算，进一步理解合理利用能源的意义和途径。重点：朗肯循环及其热效率；蒸汽压缩制冷循环难点：蒸汽动力循环和制冷循环的T-S图；蒸汽动力循环和制冷循环的热效率计算自学内容：做外功的绝热膨胀课堂作业：7.1 说明蒸汽动力循环的过程7.2 说明制冷循环的过程。7.3 绘制蒸汽动力循环和制冷循环的T-S图。课外作业：完成

20、本章小结7.1蒸汽动力循环和制冷循环的热效率计算4课程目标3、4四教学方法课程教学以课堂讲授为主，结合课堂作业、课堂讨论、课外作业、单元测试及考试等共同实施，具体内容包括：1）课内外作业：每章结束后，对本章所学内容进行总结和课练习，帮助学生复习和掌握所学内容。2）课堂讨论：根据学生所查资料进行课堂讨论，以便对所学到知识进行巩固和加深。3）课外作业：要求学生对章节内容总结，并就涉及内容查阅文献，准备课堂讨论。4）单元测试、期末考试：采取闭卷的形式，考察学生对所学内容的掌握情况。五课程考核内容及方式本课程过程考核成绩占50%：包括课内外作业（30%）、单元测验（20%）；结课考试占50%：闭卷考试。1. 课程目标与考核方式关系表分项成绩考核方式成绩比例%课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4课程目标5过程考核（50%）课内外作业（30%）20302030203020301020单元测验（20%）50122512251225结课考试（50%）期末考试3050204020402040课程目标达成评价计算方法：50%*（课程目标试题均分/课程目标试题总分）+50%*（课程目标平时成绩均分/课程目标平时成绩总分）2. 课程目标评分标准项 目评分标准90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分课内外作业按时交作业；基本概念理解正确、能够正确应用相关知识分析解决