化工热力学第1章 绪论36G

第一章绪论2023/1/311第一章绪论本章主要内容1.1热力学发展史1.2热力学特性及研究方法1.3化工热力学的地位及作用1.4化工热力学的基本内容1.5本课程内容及要求2023/1/312第一章绪论远古时代的钻木取火12、13世纪：中国的火药与土火箭人们对热的认识，最初认为热是物质-热质。但无法解释摩擦生热。十七世纪末，随着温度计制造技术的成熟，知道如何精确测量温度后，才开启热力学的研究2023/1/313第一章绪论1.1热力学发展史1.1.1什么是“热”？热现象是人们最早接触到的自然现象之一热力学定义：热力学是研究能量、能量转换以及与能量转换有关物性间相互关系的科学原始含义：热功相互转化的规律由热产生动力，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械作功成为重要的研究课题。2023/1/314第一章绪论1.1热力学发展史1.1.2历史上为何称为“热力学”？热力学(thermodynamics)：热(thermo)+动力(dynamics）2023/1/315第一章绪论“火力提水”萨弗里制成的世界上第一台实用的蒸汽提水机,两个蛋形容器交替工作，依靠真空的吸力汲水。缺点：汲水深度不超过6米1.1热力学发展史1.1.2历史上为何称为“热力学”？2023/1/316第一章绪论纽科门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机，用以驱动独立的提水泵，被称为纽科门大气式蒸汽机。但热效率很低。NewcomenEngineSteam

1.1热力学发展史1.1.2历史上为何称为“热力学”？2023/1/317第一章绪论Wattsteamengine1764年，英国的仪器修理工瓦特为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时，注意到其缺点，并于1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机。热效率成倍提高，煤耗下降。

使得蒸汽机被广泛应用。1.1热力学发展史1.1.2历史上为何称为“热力学”？2023/1/318第一章绪论1824年卡诺发表了《谈火的动力和能发动这种动力的机器》，文中提出了“卡诺循环”热力学发展史上奠基的文章法国物理学家卡诺（NicolasLeonardSadiCarnot）（1796～1823）1.1热力学发展史1.1.2历史上为何称为“热力学”？2023/1/319第一章绪论热力学第一定律与能量守恒定律有着极其密切的关系将能量守恒定律应用到热力学上，就是热力学第一定律1.1热力学发展史1.1.3能量守恒与转化定律发展史2023/1/31101.1化工热力学发展史1.1.4能量守恒与转化定律发展史第一章绪论德国物理学家、医生迈尔（JuliusRobertMayer，1814～1878）

1840年2月到1841年2月作为船医远航到印度尼西亚。他从船员静脉血的颜色的不同，发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就必定守恒。1842年他发表了《论无机性质的力》的论文，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人2023/1/3111第一章绪论英国物理学家焦耳JamesPrescortJoule,（1818～1889）通过实验得出“热功当量是一个普适常量，与做功方式无关”。德国物理学家亥姆霍兹（HermannvonHelmholtz,1821～1894）1847年，发表《论力的守恒》，第一次系统地阐述了能量守恒原理1.1化工热力学发展史1.1.4能量守恒与转化定律发展史2023/1/3112第一章绪论热力学第二定律是在能量守恒定律建立之后，在探讨热力学的宏观过程而得出的一个重要的结论。

1.1热力学发展史1.1.4热力学第二定律发展史2023/1/3113第一章绪论克拉派隆（BenoitPaulEmileClapeyron,1799-1864）

发表题为《论热的动力》的论文，用P－V曲线翻译了卡诺循环英国物理学家开尔文（LordKelvin，1824-1907）

1851年开尔文从热功转换的角度提出了热力学第二定律的另一种说法，首次提出了熵的概念1.1化工热力学发展史1.1.4热力学第二定律发展史德国物理学家克劳修斯（RudolphJuliusEmmanuelClausius,1822-1888）1850年克劳修斯从热量传递的方向性角度提出了热力学第二定律的表述。2023/1/3114第一章绪论英国物理学家麦克斯韦（JamesClerkMaxwell，1831～1879）

1859年他用统计方法导出了处于热平衡态中的气体分子的“麦克斯韦速率分布律”。奥地利物理学家玻尔兹曼（LudwigEduardBoltzmann，1844～1906）1877年发现了宏观的熵与体系热力学几率之间的关系。

使科学界接受了热力学第二定律1.1化工热力学发展史1.1.4热力学第二定律发展史2023/1/3115第一章绪论德国物理化学家能斯特（WaltherHermannNernst,1864～1941）

1906年，根据对低温现象的研究，得出了热力学第三定律，被称之为“能斯特热定理”。1920年获得了诺贝尔化学奖德国物理学家普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858～1947)

在能斯特研究的基础上，利用统计理论指出：各种物质的完美晶体在绝对零度时熵为零。

1911年普朗克也提出了对热力学第三定律的表述1.1化工热力学发展史1.1.5热力学第三定律发展史2023/1/3116第一章绪论1.1化工热力学发展史1.1.6化工热力学基本定律第零定律（Zerothlawofthermodynamics）：与第三个体系处于热力学平衡的两个体系，彼此处于热力学平衡（T）第一定律（Firstlawofthermodynamics）：能量守恒(UH)第二定律(Secondlawofthermodynamics):Statement1:不可能从单一热源吸热使之完全转变为有用功而不引起其他变化。Statement2:热不可能自动从低温物体传给高温物体。(S)第三定律：不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度(0K)。2023/1/3117第一章绪论严密性：表现在热力学具有严格的理论基础。完整性：热力学具有一套完整系统的基本理论。普遍性：热力学原理适用于宇宙的各个领域，只要与热力学有关的问题都可以通过热力学的方法来解决。精简性：热力学描述问题，不仅定性而且定量，即简单又准确。1.2热力学特性及研究方法1.2.1热力学特性2023/1/3118第一章绪论工程热力学（EngineeringThermodynamics）:主要研究功、热转化，以及能量利用率的高低。化学热力学（ChemicalThermodynamics）:应用热力学原理研究有关化学中各类平衡问题。主要侧重于热力学性质的计算。化工热力学（ChemicalEngineeringThermodynamics）：研究在化学工程中的热力学问题。主要侧重于工程计算。它既能解决能量的利用问题，又能解决相际间质量传递与化学反应方向与限度等问题。统计热力学（StatisticalThermodynamics）:从微观角度出发研究过程的热现象。1.2热力学特性及研究方法1.2.2热力学分支2023/1/3119第一章绪论化工热力学化学热力学经典热力学统计热力学工程热力学热力学研究方法宏观研究方法微观研究方法1.2热力学特性及研究方法1.2.3热力学研究方法20第一章绪论1.3化工热力学地位及作用1.3.1化工热力学地位研发新产品要求：绿色工艺产品质量好产品收率高成本低2023/1/3121第一章绪论第一级：物性常数和热力学性质计算第二级：平衡计算第三级：“三传一反”第四级：设备设计第五级：流程配置第六级：过程优化吸收系统模拟反应系统模拟精馏系统模拟化工模拟系统吸收塔计算反应器计算精馏塔计算换热器计算设备模拟化反应速度计算传质计算流体力学计算传热计算三传和反应工程学相平衡计算反应平衡计算热平衡计算物料平衡计算露点泡点计算化工热力学全流程的最佳化设计和控制物性学和热力学表面张力计算导热系数计算密度计算焓的计算粘度计算1.3化工热力学地位及作用1.3.2化工热力学地位2023/1/3122第一章绪论应用模型原理“原理-模型-应用”构成了化工热力学内容的三要素。原理是基础，应用是目的，模型则是应用中不可缺少的工具。状态方程EOS活度系数模型γi1.4化工热力学基本内容2023/1/3123第一章绪论原理第三章（均相封闭系统的热力学性质）第四章（均相敞开系统的相平衡）应用第三章（均相系统）第五章（非均相系统）第六章（流动系统）模型第二章（状态方程EOS）第四章（活度系数模型γi）1.5本课程内容及要求2023/1/3124第一章绪论均相性质纯物质定组成混合物非均相性质纯物质混合物流动体系热力学分析热力学模拟均相封闭体系热力学非均相封闭体系热力学流动体系的能量平衡、熵平衡方程模型EOS和gi应用

封闭体系流动体系热力学原理

方法：运用经典热力学的原理，结合反映体系特征的模型，应用于解决工程中的实际问题。1.4化工热力学基本内容教学内容第一章绪论（2学时）第二章流体的P-V-T关系（4学时）第三章纯物质的热力学性质（6学时）第四章流体混合物的热力学性质（10学时）第五章化工过程能量分析（6学时）第六章蒸汽动力循环和制冷循环（12学时）2023/1/3125第一章绪论1.5本课程内容及要求2023/1/3126第一章绪论1.5本课程内容及要求第五章化工过程能量分析（H，S，W，Ex）第六章动力和制冷循环（H，S，Q，W，η）第二章流体的PVT关系（P-V-T，EOS）第三章纯流体的热力学性质（EOS+CpHUS）第四章流体混合物的热力学性质（）第五章相平衡（）给出物质的有效利用极限给出物质的有效利用极限化工热力学的任务2023/1/3127第一章绪论考试方法成绩评定：总成绩=考核成绩（70%）+平时成绩（30%）上课情况、平时作业要求(1)认真做好笔记。(2)

独立完成作业.(3)学习三遍：预习、学习、复习做到：提起来是一串，放下是一堆1.5本课程内容及要求1、系统定义：系统：热力学所研究的对象环境：与系统通过界面密切隔开，并于系统密切相关的周围部分系统的类型（1）封闭系统：系统与环境只有能量交换没有物质交换。（2）敞开系统：系统与环境既有能量交换又有物质交换。（3）孤立系统：系统与环境既没有能量交换又没有物质交换（隔离）。环境系统第一章绪论1.6化工热力学基本概念回顾28系统的宏观性质强度性质：与构成系统的物质量无关。如：T、P等。容量性质：与系统中物质量有关。如：V、U、H、S等。系统的状态是由强度性质决定的！摩尔性质为强度性质！重要!第一章绪论1.6化工热力学基本概念回顾293、状态和状态函数（1）状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。（2）平衡状态：在没有外界影响的条件下，体系的宏观状态不随时间而改变，即系统与环境之间净流为零。热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡即温度差，压力差，化学位差均为零。第一章绪论1.6化工热力学基本概念回顾30（3）状态函数：与系统状态变化的途径无关，仅取决于初态和终态的量。常用的状态函数有P，V，T，U，H，S，A，GM——状态函数状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零循环过程：△H=0，△U=0，△V=0，△S体系=0（当然△S总≠0)状态1状态2状态3第一章绪论1.6化工热力学基本概念回顾4、过程◆

指体系自一平衡状态到另一平衡状态的转换◆

对某一过程的描写：初态＋终态＋路径（1）不可逆过程：一个单向过程发生之后一定留下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除。如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等。凡是自发过程过程皆是不可逆过程！第一章绪论1.6化工热力学基本概念回顾（2）可逆过程：可逆过程：当体系完成某一过程后，如果令过程逆行而