第1章 绪论 化工热力学
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chap1 绪论 化工热力学
平衡、力平衡、相平衡、化学平衡）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、化学位差等为零。需要指出的是平衡状态实
质上是动态平衡。
热力学的变量：强度量与广度量
强度量：数值仅取决于物质本身的特性，而与物 质的数量无关。如温度、压力、密度、摩 尔内能等。 广度量: 数值与物质的数量成正比。如体积、质 量、熵、焓、内能等。 单位质量的广度量是强度量。
循环：体系经过一系列的状态变化过程 后，最后又回到最初状态的整个 变化过程。可分为正向循环和逆 向循环。
2.热力学的分支
（1）工程热力学（Engineering Thermodynamics）
主要研究热能与机械能之间的转换规律以及在
工程中的应用。 （2）化学热力学（Chemical Thermodynamics） 应用热力学原理研究有关化学中各类平衡问题。 主要侧重于热力学函数的计算，主要是H、S、U、 F和G的计算。
（3）化工热力学（Chemical Engineering Thermodynamics） 研究在化学工程中的热力学问题。具有双重特点。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。
（4）统计热力学（Statistical Thermodynamics） 从微观角度出发研究过程的热现象。
根据体系与环境的需相互关系，热力学体
系可分为：
孤立体系：体系与环境之间既无物质之 间的交换也无能量的交换。 封闭体系：体系与环境之间只有能量的 交换而无物质的交换。 敞开体系：体系与环境可以有能量与物 质的交换。
平衡状态的定义：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此
体系处于热力学平衡状态。达到热力学平衡（热
是引起体系状态变化的所有势差如温度差、压力
差、化学位差等为零。需要指出的是平衡状态实
质上是动态平衡。
热力学的变量：强度量与广度量
强度量：数值仅取决于物质本身的特性，而与物 质的数量无关。如温度、压力、密度、摩 尔内能等。 广度量: 数值与物质的数量成正比。如体积、质 量、熵、焓、内能等。 单位质量的广度量是强度量。
循环：体系经过一系列的状态变化过程 后，最后又回到最初状态的整个 变化过程。可分为正向循环和逆 向循环。
2.热力学的分支
（1）工程热力学（Engineering Thermodynamics）
主要研究热能与机械能之间的转换规律以及在
工程中的应用。 （2）化学热力学（Chemical Thermodynamics） 应用热力学原理研究有关化学中各类平衡问题。 主要侧重于热力学函数的计算，主要是H、S、U、 F和G的计算。
（3）化工热力学（Chemical Engineering Thermodynamics） 研究在化学工程中的热力学问题。具有双重特点。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。
（4）统计热力学（Statistical Thermodynamics） 从微观角度出发研究过程的热现象。
根据体系与环境的需相互关系，热力学体
系可分为：
孤立体系：体系与环境之间既无物质之 间的交换也无能量的交换。 封闭体系：体系与环境之间只有能量的 交换而无物质的交换。 敞开体系：体系与环境可以有能量与物 质的交换。
平衡状态的定义：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此
体系处于热力学平衡状态。达到热力学平衡（热
化工热力学第三版第1章绪论与第2章流体的pVT关系
混合物的状态方程
2.4.3 混合物的状态方程
（3）Martin-Hou方程 温度函数混合规则的通式为
若L代表方程常数b，则n＝１
2.4.3 混合物的状态方程
2.4.4 状态方程混合规则的发展
（1）单流体混合规则的改进
2.4.4 状态方程混合规则的发展
1.3.1 体系与环境
1. 孤立体系：体系与环境之间既无物质的交换又无能量 的交换
2. 封闭体系：体系与环境之间只有能量的交换而无物质 的交换
3. 敞开体系：体系与环境之间可以有能量与物质的交换。
1.3.2 平衡状态与状态函数
状态是指体系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。热 力学中，一般说体系处于某个状态， 即指平衡状态。
2.1 纯物质的p-V-T关系
2.1 纯物质的p-V-T关系
2.1 纯物质的p-V-T关系
等温线在两相区中的水平线段随着温度升高而缩短，最 后在临界温度时缩成一点犆。从图2-3上看出，临界等温 线在临界点上的斜率和曲率都等于零。数学上表示为
2.1 纯物质的p-V-T关系
2.2 气体的状态方程
对比态原理认为，在相同的对比状态下，所有的物质表 现出相同的性质。 令 将这些关系代入van der Waalls方程，得
这种关系在数学上可表示为
因为
2.3.2 以偏心因子为第三参数 的对比态原理
物质的对比蒸气压的对数与绝对温度有近似线性关系， 即
对比蒸气压方程可以表示为
2.3.2 以偏心因子为第三参数 的对比态原理
2.2.1 理想气体方程
理想气体方程是最简单的状态方程，即
2.2.2 立方型状态方程
所谓立方型状态方程是因为方程可展开为体积 （ 或密 度）的三次多项式。Vander Waals方程 （1873年）是第 一个适用真实气体的立方型方程，是对理想气体方程 （2-4）的校正。
2.4.3 混合物的状态方程
（3）Martin-Hou方程 温度函数混合规则的通式为
若L代表方程常数b，则n＝１
2.4.3 混合物的状态方程
2.4.4 状态方程混合规则的发展
（1）单流体混合规则的改进
2.4.4 状态方程混合规则的发展
1.3.1 体系与环境
1. 孤立体系：体系与环境之间既无物质的交换又无能量 的交换
2. 封闭体系：体系与环境之间只有能量的交换而无物质 的交换
3. 敞开体系：体系与环境之间可以有能量与物质的交换。
1.3.2 平衡状态与状态函数
状态是指体系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。热 力学中，一般说体系处于某个状态， 即指平衡状态。
2.1 纯物质的p-V-T关系
2.1 纯物质的p-V-T关系
2.1 纯物质的p-V-T关系
等温线在两相区中的水平线段随着温度升高而缩短，最 后在临界温度时缩成一点犆。从图2-3上看出，临界等温 线在临界点上的斜率和曲率都等于零。数学上表示为
2.1 纯物质的p-V-T关系
2.2 气体的状态方程
对比态原理认为，在相同的对比状态下，所有的物质表 现出相同的性质。 令 将这些关系代入van der Waalls方程，得
这种关系在数学上可表示为
因为
2.3.2 以偏心因子为第三参数 的对比态原理
物质的对比蒸气压的对数与绝对温度有近似线性关系， 即
对比蒸气压方程可以表示为
2.3.2 以偏心因子为第三参数 的对比态原理
2.2.1 理想气体方程
理想气体方程是最简单的状态方程，即
2.2.2 立方型状态方程
所谓立方型状态方程是因为方程可展开为体积 （ 或密 度）的三次多项式。Vander Waals方程 （1873年）是第 一个适用真实气体的立方型方程，是对理想气体方程 （2-4）的校正。
化工热力学讲义-1-第二章-流体的p-V-T关系36页PPT文档
②研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利用的规律。
二、研究方法 热力学研究方法：分为宏观、微观两种。本书就工程应用而言， 主要介绍的是宏观研究方法。
宏观研究方法特点： ①研究对象：将大量分子组成的体系视为一个整体，研究大量 分子中发生的平均变化，用宏观物理量来描述体系的状态；
②研究方法：采取对大量宏观现象的直接观察与实验，总结出 具有普遍性的规律。
2a
VC3
而：V2p2 T
2RT
Vb3
6a V4
V 2p2TTC V2CRbC T3 V 6C a4 0
2RTC VC b
3
6a
VC4
上两式相除，得：
VC b VC 23
1
b 3 VC
则： a
VC3 2
②图3中高于临界温度Tc的等温线T1、T2，曲线平滑且不与相界线相交， 近似于双曲线，即：PV=常数； 小于临界温度Tc的等温线T3、T4，由三个部分组成，中间水平线表示 汽液平衡共存，压力为常数，等于饱和蒸汽压。
③从图3还可知道：临界等温线（蓝线所示）在临界点处的斜率和 曲率等于零，即：
p 0 V TTC
第二章 流体的P-V-T关系
①P、V、T的可测量性：流体压力P、摩尔体积V和温度T是可以 直接测量的，这是一切研究的前提；
②研究的目的与意义：利用P、V、T数据和热力学基本关系式可 计算不能直接测量的其他性质，如焓H、内能U、熵S和自由能G。
一、p-V-T图
2.1纯物质的P-V-T关系
说明：①曲面以上或以下的空间为不平衡区； ②三维曲面上“固”、“液”和“气（汽）”表示单相区 ； ③“固-液”、“固-汽”和“液-汽”表示两相区；
③超临界流体的特殊性：它的密度接近于液体，但同时具有气体的 “体积可变性”和“传递性质”。所以和气体、液体之间的关系是： 既同又不同，
二、研究方法 热力学研究方法：分为宏观、微观两种。本书就工程应用而言， 主要介绍的是宏观研究方法。
宏观研究方法特点： ①研究对象：将大量分子组成的体系视为一个整体，研究大量 分子中发生的平均变化，用宏观物理量来描述体系的状态；
②研究方法：采取对大量宏观现象的直接观察与实验，总结出 具有普遍性的规律。
2a
VC3
而：V2p2 T
2RT
Vb3
6a V4
V 2p2TTC V2CRbC T3 V 6C a4 0
2RTC VC b
3
6a
VC4
上两式相除，得：
VC b VC 23
1
b 3 VC
则： a
VC3 2
②图3中高于临界温度Tc的等温线T1、T2，曲线平滑且不与相界线相交， 近似于双曲线，即：PV=常数； 小于临界温度Tc的等温线T3、T4，由三个部分组成，中间水平线表示 汽液平衡共存，压力为常数，等于饱和蒸汽压。
③从图3还可知道：临界等温线（蓝线所示）在临界点处的斜率和 曲率等于零，即：
p 0 V TTC
第二章 流体的P-V-T关系
①P、V、T的可测量性：流体压力P、摩尔体积V和温度T是可以 直接测量的，这是一切研究的前提；
②研究的目的与意义：利用P、V、T数据和热力学基本关系式可 计算不能直接测量的其他性质，如焓H、内能U、熵S和自由能G。
一、p-V-T图
2.1纯物质的P-V-T关系
说明：①曲面以上或以下的空间为不平衡区； ②三维曲面上“固”、“液”和“气（汽）”表示单相区 ； ③“固-液”、“固-汽”和“液-汽”表示两相区；
③超临界流体的特殊性：它的密度接近于液体，但同时具有气体的 “体积可变性”和“传递性质”。所以和气体、液体之间的关系是： 既同又不同，
化工热力学第1章绪论-热力学
系。
微观研究方法
(统计热力学)
特点:建立在大量粒子群的统
计性质的基础上,从物质的微
观结构观察与分析问题，预
测与解释平衡情况下物质的
宏观性质。从分子间的相互
作用出发，建立宏观性质与
微观性质的关系。
37
➢化工热力学的局限性
经典热力学局限性之一
不能定量预测物质的宏观性质；
不能解释微观本质及其产生某种现象的内部原因。
➢
进行过程的能量衡算;
➢
研究化工过程能量的有效利用;
➢
热力学数据与物性数据的测量、关联和预测。
u2
H mg Z m
Q Ws
2
、c、 s、 E、 、 c、 HP ......
Q p H C P dT
T2
T1
f H 、C H 、 f G、Cigp 、 H vap ......
也实施不了；热力学证明是可以行通的事情，
在实际当中才能够行的通。
N 2 3 H 2 2 NH 3
G 0( 25o C、
0.1MPa）
G 0( 500o C ,20 50 MPa )
33
1.3热力学特性及局限性
➢热力学的四大特性
⑵完整性:
• 热力学第一定律：能量守恒定律
• 热力学第二定律：熵增原理(热效率)
G的计算。
31
1.2 热力学的分支
⑶ 化工热力学(Chemical Engineering Thermodynamics)
研究在化学工程中的热力学问题，化工热力学具有
化学热力学和工程热力学的双重特点。它既要解决
能量的利用问题，又要研究解决相际之间质量传递
微观研究方法
(统计热力学)
特点:建立在大量粒子群的统
计性质的基础上,从物质的微
观结构观察与分析问题，预
测与解释平衡情况下物质的
宏观性质。从分子间的相互
作用出发，建立宏观性质与
微观性质的关系。
37
➢化工热力学的局限性
经典热力学局限性之一
不能定量预测物质的宏观性质；
不能解释微观本质及其产生某种现象的内部原因。
➢
进行过程的能量衡算;
➢
研究化工过程能量的有效利用;
➢
热力学数据与物性数据的测量、关联和预测。
u2
H mg Z m
Q Ws
2
、c、 s、 E、 、 c、 HP ......
Q p H C P dT
T2
T1
f H 、C H 、 f G、Cigp 、 H vap ......
也实施不了；热力学证明是可以行通的事情，
在实际当中才能够行的通。
N 2 3 H 2 2 NH 3
G 0( 25o C、
0.1MPa）
G 0( 500o C ,20 50 MPa )
33
1.3热力学特性及局限性
➢热力学的四大特性
⑵完整性:
• 热力学第一定律：能量守恒定律
• 热力学第二定律：熵增原理(热效率)
G的计算。
31
1.2 热力学的分支
⑶ 化工热力学(Chemical Engineering Thermodynamics)
研究在化学工程中的热力学问题，化工热力学具有
化学热力学和工程热力学的双重特点。它既要解决
能量的利用问题，又要研究解决相际之间质量传递
化工热力学 第一章
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， 只能解决极限问题，不能 解决速率问题 ★ 经典热力学能够给出的是必 要条件而不是充分条件。 要条件而不是充分条件。 ★ 但由热力学分析可以排除不 能发生反应的条件， 能发生反应的条件，因而节省 了大量的时间和精力。 了大量的时间和精力。
三、热力学的研究特点
（2）处理方法：以理想态为标准态加上校正。 ）处理方法：以理想态为标准态加上校正。 压缩因子） 气体 Z （压缩因子） 实际结果=理想结果 校正 实际结果 理想结果+校正 理想结果
化学热 力学的 方法 建立模型
逸度系数） 气体 φ （逸度系数） 活度系数） 溶液 γi（活度系数）
4.化工热力学的用途 4.化工热力学的用途
平衡问题（特别是相平衡） 多元相平衡数据是设计、 （3） 平衡问题（特别是相平衡）。多元相平衡数据是设计、 生产操作和产品质量控制必不可少的，尤其是产品众多、 生产操作和产品质量控制必不可少的，尤其是产品众多、分 离要求高的石油化工更是如此。 离要求高的石油化工更是如此。 产品分离：设备投资50~90%； ★ 产品分离：设备投资 ； 能量投资60~90%。 。 能量投资 精馏塔的设计。 ★ 精馏塔的设计。
纯物质的热力学数据研究比较透彻。 纯物质的热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。 ★ 尤其是极性物质、聚合物体系，电解质溶液。 ★ 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。 实验费时、费力。 ★ 实验费时、费力。
理想溶液；化工热力学研究的是实际状态。 理想溶液；化工热力学研究的是实际状态。 实际状态 在任意温度、压力下， 在任意温度、压力下，多组分的状态
三、热力学的研究特点
（2）处理方法：以理想态为标准态加上校正。 ）处理方法：以理想态为标准态加上校正。 压缩因子） 气体 Z （压缩因子） 实际结果=理想结果 校正 实际结果 理想结果+校正 理想结果
化学热 力学的 方法 建立模型
逸度系数） 气体 φ （逸度系数） 活度系数） 溶液 γi（活度系数）
4.化工热力学的用途 4.化工热力学的用途
平衡问题（特别是相平衡） 多元相平衡数据是设计、 （3） 平衡问题（特别是相平衡）。多元相平衡数据是设计、 生产操作和产品质量控制必不可少的，尤其是产品众多、 生产操作和产品质量控制必不可少的，尤其是产品众多、分 离要求高的石油化工更是如此。 离要求高的石油化工更是如此。 产品分离：设备投资50~90%； ★ 产品分离：设备投资 ； 能量投资60~90%。 。 能量投资 精馏塔的设计。 ★ 精馏塔的设计。
纯物质的热力学数据研究比较透彻。 纯物质的热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。 ★ 尤其是极性物质、聚合物体系，电解质溶液。 ★ 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。 实验费时、费力。 ★ 实验费时、费力。
理想溶液；化工热力学研究的是实际状态。 理想溶液；化工热力学研究的是实际状态。 实际状态 在任意温度、压力下， 在任意温度、压力下，多组分的状态
化工热力学第一章绪论
就，建立模型，以易测数据推算难测数据
2020/7/6
绪论：
化工热力学的研究内容和特点
1、化工热力学的研究内容
原理-模型-应用构成化工热力学研究内容的三要 素。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。
2020/7/6
绪论：
化工热力学的研究内容和特点
2020/7/6
特点： 制冷、发电 介质简单：水蒸气、氨、氟里昂
2020/7/6
绪论：
化工热力学的定义和用途
C、化学热力学（ Chemical Thermodynamics）— 应用热 力学来处理热化学、相平衡和化学平衡等化学领域中的问题， 则形成化学热力学。
例1：利用热力学的原理能计算出在何种温度和压力 条件下，由氮和氢合成氨时的最高产量，这在化肥工业上产 生了重要影响。
例2：石墨与金刚石二者间转变时的温度与压力效应 的热力学计算，不但预示了人工制造金刚石所需的条件，并 且导出了关于自然界金刚石形成的地质条件的假说。
2020/7/6
绪论：
化工热力学的定义和用途
D、化工热力学（ Chemical Engineering Thermodynamics） — 集化学热力学和工程热力学之大成的 学科。
A、热力学（Thermo-dynamics ）—— 讨论热与功转化规 律的科学。
远古“钻木取火”——机械能转换为内能。 12世纪“火药燃烧加速箭支的飞行” 19世纪“蒸汽机”——热转换为功。
B、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，则为工程热力学。 主要研究热能与机械能之间转换规律以及在工程中的应用。
2020/7/6
2020/7/6
绪论：
化工热力学的研究内容和特点
1、化工热力学的研究内容
原理-模型-应用构成化工热力学研究内容的三要 素。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。
2020/7/6
绪论：
化工热力学的研究内容和特点
2020/7/6
特点： 制冷、发电 介质简单：水蒸气、氨、氟里昂
2020/7/6
绪论：
化工热力学的定义和用途
C、化学热力学（ Chemical Thermodynamics）— 应用热 力学来处理热化学、相平衡和化学平衡等化学领域中的问题， 则形成化学热力学。
例1：利用热力学的原理能计算出在何种温度和压力 条件下，由氮和氢合成氨时的最高产量，这在化肥工业上产 生了重要影响。
例2：石墨与金刚石二者间转变时的温度与压力效应 的热力学计算，不但预示了人工制造金刚石所需的条件，并 且导出了关于自然界金刚石形成的地质条件的假说。
2020/7/6
绪论：
化工热力学的定义和用途
D、化工热力学（ Chemical Engineering Thermodynamics） — 集化学热力学和工程热力学之大成的 学科。
A、热力学（Thermo-dynamics ）—— 讨论热与功转化规 律的科学。
远古“钻木取火”——机械能转换为内能。 12世纪“火药燃烧加速箭支的飞行” 19世纪“蒸汽机”——热转换为功。
B、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，则为工程热力学。 主要研究热能与机械能之间转换规律以及在工程中的应用。
2020/7/6
化工热力学第一章.
化工热力学是理论和工程实践性都较强的学科。
化工热力学 第一章 绪 论
化工热力学解决的实际问题可以归纳为三类： (1) 过程进行的可行性分析和能量的有效利用； (2) 相平衡和化学反应平衡问题； (3) 测量、推算与关联热力学性质。
化工热力学 第一章 绪 论
2. 热力学在化工过程开发中的作用
局限：对物质结构必须采用一些假设的模型，这 些假设模型只是物质实际结构的近似描写。
化工热力学 第一章 绪 论
四、化工热力学研究内容及在化工过程开发中的作用 1. 化工热力学的研究内容
化工热力学的主要任务是以热力学第一、第二定律 为基础,研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利 用的规律,研究物质状态变化与物质性质之间的关系以及 物理或化学变化达到平衡的理论极限、条件和状态。
7 了解热力学在化工过程中的主要实际应用。
化工热力学 第一章 绪 论
预备知识（复习名词、概念）
体系与环境
体系：研究的对象 环境：研究对象以外的部分
敞开体系（开系）：体系与环境之间有能量与物质的交换。
体系 封闭体系（闭系）：体系与环境之间只有能量交换而无物质的交换。
孤立体系：体系与环境之间既无能量交换也无物质的交换。
化工热力学 第一章 绪 论
过程与循环
过程：状态的变化历程 按可逆程度分：可逆过程、不可逆过程。 按状态参数变化分：等温、等压、等容、等焓、绝热过程等。
循环： 正向循环：热能变为机械能的热力循环。PV图上以顺时针 方向循环。所有热机都是。
逆向循环：消耗能量迫使热量从低温流向高温。 V图上以逆 时针方向循环。所有制冷、热泵都是。
3.化工热力学在化工过程开发中的作用
降低原料消耗，减少环境污染； 降低能耗（利用夹点技术）； 提高产品的质量（利用新型分离技术）； 为化工单元操作提供多元相平衡数据； 为实验成果的放大，实现工业化提供基础
化工热力学 第一章 绪 论
化工热力学解决的实际问题可以归纳为三类： (1) 过程进行的可行性分析和能量的有效利用； (2) 相平衡和化学反应平衡问题； (3) 测量、推算与关联热力学性质。
化工热力学 第一章 绪 论
2. 热力学在化工过程开发中的作用
局限：对物质结构必须采用一些假设的模型，这 些假设模型只是物质实际结构的近似描写。
化工热力学 第一章 绪 论
四、化工热力学研究内容及在化工过程开发中的作用 1. 化工热力学的研究内容
化工热力学的主要任务是以热力学第一、第二定律 为基础,研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利 用的规律,研究物质状态变化与物质性质之间的关系以及 物理或化学变化达到平衡的理论极限、条件和状态。
7 了解热力学在化工过程中的主要实际应用。
化工热力学 第一章 绪 论
预备知识（复习名词、概念）
体系与环境
体系：研究的对象 环境：研究对象以外的部分
敞开体系（开系）：体系与环境之间有能量与物质的交换。
体系 封闭体系（闭系）：体系与环境之间只有能量交换而无物质的交换。
孤立体系：体系与环境之间既无能量交换也无物质的交换。
化工热力学 第一章 绪 论
过程与循环
过程：状态的变化历程 按可逆程度分：可逆过程、不可逆过程。 按状态参数变化分：等温、等压、等容、等焓、绝热过程等。
循环： 正向循环：热能变为机械能的热力循环。PV图上以顺时针 方向循环。所有热机都是。
逆向循环：消耗能量迫使热量从低温流向高温。 V图上以逆 时针方向循环。所有制冷、热泵都是。
3.化工热力学在化工过程开发中的作用
降低原料消耗，减少环境污染； 降低能耗（利用夹点技术）； 提高产品的质量（利用新型分离技术）； 为化工单元操作提供多元相平衡数据； 为实验成果的放大，实现工业化提供基础
化工热力学
（3）Soave-Redilich-Kwong（SRK）方程 1972年，Soave修正了RK方程中常数a，使a不仅与临界参
数有关，还与物质的蒸气压及外界条件温度相关联，建立 了SRK方程。 ▪ 形式
p RT a V b V (V b)
式中的方程常数b与RK方程的相同，常数a的表达式为
关。虽然有的状态方程可以用于气、液两相，但
较多用于气相，而且准确也高，而活度系数模型 主要用于液体溶液。
（2）意义： 化工热力学解决的三大问题中，以平衡状态下 热力学性质的计算最为重要，它是解决其它问题的基础， 所以在本书中受到特别的重视，所占的篇幅较多，其理由 如下：
▪ 物性及热力学性质是化工工艺设计中不可缺少的基础数据。 化工生产要涉及大量的物质，在过程开发和化工生产中， 若对处理物料的性质不了解，则无法分析流体间物质和能 量的传递，也无法设计分离过程，更无法认识其反应过程。
▪ 超临界流体区：高于临界温度和压力的区域叫超临界流体 区。从液体到流体或从气体到流体都不存在相变化。超临 界流体既不同于液体，也不同于气体，它的密度可以接近 液体，但具有类似气体的体积可变性和传递性质，可以作 为特殊的萃取溶剂和反应介质，与此相应的开发技术有超 临界萃取和超临界反应等。
▪ P-V图上的等温线: 主要有三种, 一是高于临界温度的等 温线T1，曲线平滑，近于双曲线，即PV = 常数，符合理 想气体的状态方程；二是小于临界温度的等温线T3，被 AC和BC线截断为三部分，其中水平段表示气液两相平衡
▪ 模型：经典热力学原理必须与反映系统特征的模 型相结合，才能解决实际问题。因为它只表示了
上述两类热力学性质之间的普遍依赖关系，并不
因具体系统而异。具体系统的这种关系还要由此
数有关，还与物质的蒸气压及外界条件温度相关联，建立 了SRK方程。 ▪ 形式
p RT a V b V (V b)
式中的方程常数b与RK方程的相同，常数a的表达式为
关。虽然有的状态方程可以用于气、液两相，但
较多用于气相，而且准确也高，而活度系数模型 主要用于液体溶液。
（2）意义： 化工热力学解决的三大问题中，以平衡状态下 热力学性质的计算最为重要，它是解决其它问题的基础， 所以在本书中受到特别的重视，所占的篇幅较多，其理由 如下：
▪ 物性及热力学性质是化工工艺设计中不可缺少的基础数据。 化工生产要涉及大量的物质，在过程开发和化工生产中， 若对处理物料的性质不了解，则无法分析流体间物质和能 量的传递，也无法设计分离过程，更无法认识其反应过程。
▪ 超临界流体区：高于临界温度和压力的区域叫超临界流体 区。从液体到流体或从气体到流体都不存在相变化。超临 界流体既不同于液体，也不同于气体，它的密度可以接近 液体，但具有类似气体的体积可变性和传递性质，可以作 为特殊的萃取溶剂和反应介质，与此相应的开发技术有超 临界萃取和超临界反应等。
▪ P-V图上的等温线: 主要有三种, 一是高于临界温度的等 温线T1，曲线平滑，近于双曲线，即PV = 常数，符合理 想气体的状态方程；二是小于临界温度的等温线T3，被 AC和BC线截断为三部分，其中水平段表示气液两相平衡
▪ 模型：经典热力学原理必须与反映系统特征的模 型相结合，才能解决实际问题。因为它只表示了
上述两类热力学性质之间的普遍依赖关系，并不
因具体系统而异。具体系统的这种关系还要由此
化工热力学-第1-2章
2.1 引言
热力学性质的计算需要流体最基本的性质 流体最基本的性质： (1)P、V、T、组成和热容数据； （2）热数据（标准生成焓和标准生成熵等） 积累了大量纯物质及其混合物的P-V-T数据 大部分纯物质的临界参数、正常沸点、饱 和蒸汽压的基础数据
2.2 纯物质的 –V –T相图 纯物质的p 相图
第一章 绪论
主要任务： 主要任务：是运用经典热力学原理解决
（1）过程进行的可行性分析和能量有效利用； ）过程进行的可行性分析和能量有效利用； （2）平衡问题，特别是相平衡； ）平衡问题，特别是相平衡； （3）平衡状态下的热力学性质计算。 ）平衡状态下的热力学性质计算。 (4)热力学性质与压力、温度和组成等能够直接测量的物理量联系起来； 热力学性质与压力、温度和组成等能够直接测量的物理量联系起来； 热力学性质与压力 V=V（T，P） （ ， ） M=M（T，P） M=U，H，A，G，Cp，…… （ ， ） ， ， ， ， ， （5）检验实验数据质量 ）
有穿过相界面，这个变化过程是渐变的过程， 即从液体到流体或从气体到流体都是渐变的 过程，不存在突发的相变。超临界流体的性质
B
非常特殊，既不同于液体，又不同于气体，它 的密度接近于液体，而传递性质则接近于气 体，可作为特殊的萃取溶剂和反应介质。近些 年来， 利用超临界流体特殊性质开发的超临界 分离技术和反应技术成为引人注目的热点。
第一章 绪论
1.5 热力学性质计算的一般方法
[例题 例题1-1] 计算例图1-1所示的纯流体单相区的强度性质M的变 例题
化量.系统从(T1,p1)的初态变化至(T2,p2)的终态。
解决问题的一般步骤： P （1）变量分析 M=（T，P） (T2,p2) （2）将热力学性质与能直接测量的P-V-T 性质和理想气体热容Cpig联系起来 △M=M（T2，p2）-M （T1，p1） (T1,p1) ig（T ，p ）] =[M（T2，p2）-M 2 0 T - [M（T1，p1）-M ig（T1，p0）] 例图1-1 均相纯物质的 均相纯物质的P-T图 例图 图 + [M ig （T2，p0）-M ig（T1，p0）] （3）引入表达系统特性的模型 （4）数学求解
南昌大学化工热力学 第1章绪论 王敏玮
化工热力学
Chemical Engineering Thermodynamics
第一章 绪论
1. 化工热力学在课程链上的位置 2. 化工热力学发展简史 3. 化工热力学的特性和分支 4. 化工热力学在化学工程中的地位 5. 化工热力学的基本内容 6. 化工热力学的优点和局限性 7. 热力学的研究方法 8. 学习化工热力学的目的和要求 9. 名词、定义和基本概念
第一章 绪论
1. 化工热力学在课程链上的位置 2. 化工热力学发展简史 3. 化工热力学的特性和分支 4. 化工热力学在化学工程中的地位 5. 化工热力学的基本内容 6. 化工热力学的优点和局限性 7. 热力学的研究方法 8. 学习化工热力学的目的和要求 9. 名词、定义和基本概念
4. 化工热力学在化学工程中的地位
4.1 过程工业与过程工程 4.2 化工热力学与其他化学工程分支学科 的关系
4. 化工热力学在化学工程中的地位
4.1 过程工业与过程工程 制造业 过程工业 机电工业（或产品生产工业） 化学工程 过程工程 Process Engineering
3.1 热力学及其特性
⑶普遍性 表现在热现象在日常生活中是必不可缺少 的。热力学的基本定律、基本理论，不但 能够解决实际生产中的问题，还能够解决 日常生活中的问题，甚至用于宇宙问题的 研究。
3.1 热Leabharlann 学及其特性 ⑷精简性 表现在热力学能够定性、定量地解决实际 问题。
3.2 热力学的分支
⑷统计热力学 Statistical Thermodynamics 统计热力学是年轻的、刚刚起步的学科，它从 微观角度出发，例如采用配分函数，研究过程 的热现象。 但用统计热力学研究出来的结果与实际结果还 有一段距离，还需要进一步去完善。
Chemical Engineering Thermodynamics
第一章 绪论
1. 化工热力学在课程链上的位置 2. 化工热力学发展简史 3. 化工热力学的特性和分支 4. 化工热力学在化学工程中的地位 5. 化工热力学的基本内容 6. 化工热力学的优点和局限性 7. 热力学的研究方法 8. 学习化工热力学的目的和要求 9. 名词、定义和基本概念
第一章 绪论
1. 化工热力学在课程链上的位置 2. 化工热力学发展简史 3. 化工热力学的特性和分支 4. 化工热力学在化学工程中的地位 5. 化工热力学的基本内容 6. 化工热力学的优点和局限性 7. 热力学的研究方法 8. 学习化工热力学的目的和要求 9. 名词、定义和基本概念
4. 化工热力学在化学工程中的地位
4.1 过程工业与过程工程 4.2 化工热力学与其他化学工程分支学科 的关系
4. 化工热力学在化学工程中的地位
4.1 过程工业与过程工程 制造业 过程工业 机电工业（或产品生产工业） 化学工程 过程工程 Process Engineering
3.1 热力学及其特性
⑶普遍性 表现在热现象在日常生活中是必不可缺少 的。热力学的基本定律、基本理论，不但 能够解决实际生产中的问题，还能够解决 日常生活中的问题，甚至用于宇宙问题的 研究。
3.1 热Leabharlann 学及其特性 ⑷精简性 表现在热力学能够定性、定量地解决实际 问题。
3.2 热力学的分支
⑷统计热力学 Statistical Thermodynamics 统计热力学是年轻的、刚刚起步的学科，它从 微观角度出发，例如采用配分函数，研究过程 的热现象。 但用统计热力学研究出来的结果与实际结果还 有一段距离，还需要进一步去完善。
化工热力学第一章
δQ
2 积分：
∆y = ∫
A
B
∑ C dx
i i
i
只取决于A，B的状态，而与路径无关，沿任一路径封闭积分
∫ ∑ C dx
i i
i
= 0 例：
δQ = dU + δW
∫ δQ = ∫ dU + ∫ δW
即循环热=循环功
由于
P
∫ dU = 0 所以
+ P
∫ δQ = ∫ δW
+ -
dV f 0, 膨胀 dV p 0， 压缩
三、热力学处理的问题 Ⅰ类：与过程有关，体系自身的变化，体系与环境 的能力交换。 Ⅱ类：建立一些列热力学平衡性质，由此建立热力 学微分方程 由热力学第一、第二定律，及只做膨胀功：
dU = δQ + δW
δQ = TdS
δW = − PdV
及： H = U + PV
G = H − TS
dH = dU + PdV + VdP
dU = TdS -PdV + µdN
有
2 −1 = 7
3
个特性函数：
ψ1 = U + PV = H
ψ 2 = U-TS = F
ψ 3 = U-µN
ψ 4 = U + PV-TS = H-TS = G
ψ 5 = U + PV-µV = H − µdG = dH − TdS − SdT
dF = dU − TdS − SdT
F = U − TS
可得：热力学基本关联式：
dU = TdS − PdV
dH = TdS + VdP dF = − PdV − SdT dG = VdP − SdT
化工热力学教程
表面张 导热系 密度计 粘度计 焓的计
力计算 数计算 算
算
算
图 1-化1 图工图热图 图力图学图 图在图化图 图学图工图 程图 图中图 的图 图作图 用图 图 图 图 8
➢热力学第二定律应用到化工传质分离过程的计算中， 可以确定相平衡的条件，计算平衡各相的组成；应用到 化学反应工程中，可以研究过程的工艺条件对平衡转化 率的影响，选择最佳工艺条件；应用到化工过程的热力 学分析中，可以确定能量损耗的数量、分布及其原因， 提高能量的利用率。
程。 ➢ 掌握用经典热力学给出的热力学函数基本关
系式结合PVT 关系推算其它不可测的热力学
函数的方法。 ➢ 掌握流体热力学性质计算的具体方法。
27
2.1 纯物质物态变化的基本规律
在建立 PVT 之间定量关系前，我们首先应从
定性上把握纯物质物态变化的基本规律，建立 起感性认识。
28
固相区
3
B• 液相区
化工热力学课程内容简介
7章：
第1章 绪论 化工热力学的发展和常用术语
第2章 流体的热力学性质
状态方程 热力学性质计算
第3章 热力学第一定律及其应用 热量衡算
第4章 热力学第二定律及其应用 蒸汽与动力循环
第5章 化工过程的有效能分析
第6章 溶液热力学
活度系数模型
第7章 相平衡及其计算方法
汽液平衡
反应工程热力学 环境热力学
压缩 C 流体区
熔
融
蒸 气相区
线
发 线
A
•
升1 华线
2 三相点
过热蒸汽
气体
P
Tc
T
图2－1. 纯物质的P－T相图
29
2点(三相点) point of the triple phase c点(临界点) critical point
化工热力学第1章_绪论
❖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，由氮和氢能合成氨？这在 化肥工业上有重要影响。
13
C、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 为工程热力学。
主要研究热能与机械能之间转换规律以及在 工程中的应用。
了全世界 10.生物医学工程
5
化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系
全流程的 最佳化设 计和控制
吸收 系统 模拟
反应 系统 模拟
精馏 系统 模拟
吸收 塔计 算
反应 器计 算
换热 器计 算
精馏 塔计 算
反应 速度 计算
传质 计算
传热 计算
流体 力学 计算
相平 衡计 算
反应 平衡 计算
物料 平衡 计算
2.抗生素：1918年流感夺走了全世界2000万人的生命。化学 工程使青霉素的年产量高达百万磅
3.聚合物：塑料在很多应用场合能取代木头、金属和玻璃
4
化学工程能做什么？
4.合成纤维 5.低温空分生成O2 和 N2 6.核同位素的分离 7.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
次世界大战中是一决定性因素 8.污染的控制 9.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
3
化学工程能做什么？
❖ 早期化学工程的主要目标就是使化学家实验室做出来的化学 反应商品化！
❖ 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
10项顶尖成果 （1983年， AIChE ）
1.合成橡胶:1983年，220亿磅/年。二战期间，及时解救了天 然橡胶匮乏的困境
13
C、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 为工程热力学。
主要研究热能与机械能之间转换规律以及在 工程中的应用。
了全世界 10.生物医学工程
5
化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系
全流程的 最佳化设 计和控制
吸收 系统 模拟
反应 系统 模拟
精馏 系统 模拟
吸收 塔计 算
反应 器计 算
换热 器计 算
精馏 塔计 算
反应 速度 计算
传质 计算
传热 计算
流体 力学 计算
相平 衡计 算
反应 平衡 计算
物料 平衡 计算
2.抗生素：1918年流感夺走了全世界2000万人的生命。化学 工程使青霉素的年产量高达百万磅
3.聚合物：塑料在很多应用场合能取代木头、金属和玻璃
4
化学工程能做什么？
4.合成纤维 5.低温空分生成O2 和 N2 6.核同位素的分离 7.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
次世界大战中是一决定性因素 8.污染的控制 9.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
3
化学工程能做什么？
❖ 早期化学工程的主要目标就是使化学家实验室做出来的化学 反应商品化！
❖ 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
10项顶尖成果 （1983年， AIChE ）
1.合成橡胶:1983年，220亿磅/年。二战期间，及时解救了天 然橡胶匮乏的困境
化工热力学 课件 第1章-绪论
本章主要内容
1.1 化工热力学的地位和作用 1.2 化工热力学研究内容与主要方法 1.3 化工热力学的局限性 1.4 在化工研究与开发中的重要应用 1.5 如何学好化工热力学 1.6 热力学基本概念
1.1 化工热力学的地位和作用
资源和能源问题：走节约化发展道路 人类社会的发展是能源利用的历史！ 人类利用能源的三个阶段：
⎧< 0 自发过程 ΔGT , p ⎨ ⎩ = 0 平衡过程
⎧< 0 自发过程 ∑ (ν i μi ) ⎨= 0 平衡过程 i ⎩
，
(μ
α
i
− μi
β
)
⎧ > 0 自发过程 ⎨ ⎩ = 0 平衡过程
，
z以上所列关系式将过程的方向和限度与系统的初、终 态状态函数变化的比较联系起来。
，
z状态函数的变化只与系统的初、终态有关，与过程进 行的途径无关。 ¾可利用物质的热力学性质数据，去计算一些实际难测 而需要的数据，如化学反应的热效应与反应平衡等。也 可以对不可逆过程的状态函数变化，按易于计算的可逆 过程状态函数变化进行，如对过程不可逆程度的计算等。
1.6 热力学基本概念
系统（system）
封闭系统 均相封闭系统,非均相封闭系统 敞开系统 孤立系统
环境(surroundings) 流动系统
热力学性质
平衡状态下压力,体积,温度,组成和 其它热力学函数的变化规律 p, V, T，n U, H, cp, cv , S, G, A
传递性质
物质和能量传递过程的非平衡特性 热导,扩散系数,粘度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
节约能源：
¾ 中国的能源浪费十分惊人 9单位能耗创造财富低于发达国家; 9每GDP的能耗为世界平均水平的3～4倍, 日本的11倍，美国的4.3倍，德国法国的7.7倍
化工热力学第一章 绪论
采用对大量宏观现象的直接观察与实验， 总结出具有普遍性的规律。
此研究方法由于可靠性与严密的逻辑性，
容易解决工程中问题，在化学工程中应用广 泛。
例题
绪 论 1.2
23 上一内容 下一内容 回主目录
宏观研究方法的不足之处是由于 不涉及物质的微观结构，从而建立的热 力学宏观理论不能解释微观的本质及其 发生的内部原因。
各自独立的两门学科。对热力学现象的研究 上，它们能起到相辅相成、殊途同归的作用。 例题
实际上，一定条件下大量粒子的群体行为(如
压力、温度、焓、熵等状态函数)就是物质内
部粒子微观运动状态的统计平均值。这两种
绪 不同的研究方法，应用于同一体系，应得出
相同的结论。
论
1.2
27 上一内容 下一内 回主目录
前
言
9 上一内容 下一内容 回主目录
参考书
例题
陈钟秀、顾飞燕 编
“化工热力学 例题与习题 ”
化学工业出版社 1998. 5
前 言
10 上一内容 下一内容 回主目录
化工热力学章节安排
第一章 绪论
第二章 流体P-V-T的关系。主要介绍处理真
实气体P-V-T关系的各种方法
第三章 纯流体的热力学性质。主要介绍真
化工生产中要涉及大量的物质，据不完全的统计，
现有10万种以上无机物以及近400万种有机物，
若再考虑混合物，更不知其数。开发各种状态方 例题
程和与之配套的各种混合规则。
2. 化学工程师开发或设计某一化工过程，首先要解
决的问题是能量的计算，同时对过程中能量的转
化、传递、使用进行质和量的分析。建立于热力 学第一、第二定律基础上的热力学分析为化工过
例题
此研究方法由于可靠性与严密的逻辑性，
容易解决工程中问题，在化学工程中应用广 泛。
例题
绪 论 1.2
23 上一内容 下一内容 回主目录
宏观研究方法的不足之处是由于 不涉及物质的微观结构，从而建立的热 力学宏观理论不能解释微观的本质及其 发生的内部原因。
各自独立的两门学科。对热力学现象的研究 上，它们能起到相辅相成、殊途同归的作用。 例题
实际上，一定条件下大量粒子的群体行为(如
压力、温度、焓、熵等状态函数)就是物质内
部粒子微观运动状态的统计平均值。这两种
绪 不同的研究方法，应用于同一体系，应得出
相同的结论。
论
1.2
27 上一内容 下一内 回主目录
前
言
9 上一内容 下一内容 回主目录
参考书
例题
陈钟秀、顾飞燕 编
“化工热力学 例题与习题 ”
化学工业出版社 1998. 5
前 言
10 上一内容 下一内容 回主目录
化工热力学章节安排
第一章 绪论
第二章 流体P-V-T的关系。主要介绍处理真
实气体P-V-T关系的各种方法
第三章 纯流体的热力学性质。主要介绍真
化工生产中要涉及大量的物质，据不完全的统计，
现有10万种以上无机物以及近400万种有机物，
若再考虑混合物，更不知其数。开发各种状态方 例题
程和与之配套的各种混合规则。
2. 化学工程师开发或设计某一化工过程，首先要解
决的问题是能量的计算，同时对过程中能量的转
化、传递、使用进行质和量的分析。建立于热力 学第一、第二定律基础上的热力学分析为化工过
例题
化工热力学---第1章 绪论_OK
重点
基本概念的理解与掌握
热力学处理各种实际问题的研究方法
各种热力学模型的基本假设及推导
难点
☺化工热力学被戏称为是“焓焓”糊糊“熵”脑筋的学
科。
具体应用中的难点包括：
混合物中组元逸度（系数）、活度（系数）等的计算
多元体系的泡点、露点计算等
27
课程学习要求与措施
（1）要明确各章节的作用，即解决什么问题，得出了什么
(2)判断过程进行的方向和限度
(3)进行热力学数据与物性数据的研究
(4)研究化工过程能量的有效利用
110 273
30.7%
280 273
110 273
1
4722.0%
450 273
1
1.5 热力学的研究方法
两种：宏观研究法和 微观研究法
利用热力学函数和物质状态之间的关系解决实际问题。
➢ 研究物质状态变化与物质性质之间的关系
➢ 研究物理或化学变化达到平衡的理论极限、条件和状态。
化工热力学是理论和工程实践性都较强的学科。
25
课程学习的目的
⑴了解并掌握化工热力学的基本内容
⑵提高利用化工热力学的观点和方法来分析和解决化
工生产、工程设计和科学研究中有关实际问题的能
力。
26
重点与难点
• 环境：除体系以外的所有其余部分。
– 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。
– 封闭体系：体系和环境间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组成。而有化学反应
结论。
（2）要掌握化工热力学的研究方法。
（3）着重于基本概念的理解，对重要的公式加以推导；注
基本概念的理解与掌握
热力学处理各种实际问题的研究方法
各种热力学模型的基本假设及推导
难点
☺化工热力学被戏称为是“焓焓”糊糊“熵”脑筋的学
科。
具体应用中的难点包括：
混合物中组元逸度（系数）、活度（系数）等的计算
多元体系的泡点、露点计算等
27
课程学习要求与措施
（1）要明确各章节的作用，即解决什么问题，得出了什么
(2)判断过程进行的方向和限度
(3)进行热力学数据与物性数据的研究
(4)研究化工过程能量的有效利用
110 273
30.7%
280 273
110 273
1
4722.0%
450 273
1
1.5 热力学的研究方法
两种：宏观研究法和 微观研究法
利用热力学函数和物质状态之间的关系解决实际问题。
➢ 研究物质状态变化与物质性质之间的关系
➢ 研究物理或化学变化达到平衡的理论极限、条件和状态。
化工热力学是理论和工程实践性都较强的学科。
25
课程学习的目的
⑴了解并掌握化工热力学的基本内容
⑵提高利用化工热力学的观点和方法来分析和解决化
工生产、工程设计和科学研究中有关实际问题的能
力。
26
重点与难点
• 环境：除体系以外的所有其余部分。
– 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。
– 封闭体系：体系和环境间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组成。而有化学反应
结论。
（2）要掌握化工热力学的研究方法。
（3）着重于基本概念的理解，对重要的公式加以推导；注
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
PLOYMAT H MATLAB MAPLE MATHCA D EZSolver Spreadshee ts Mathematic a Other
37%
65%
24%
37%
5%
82%
13%
15%
Swinnea教授从43份调查问卷中表明大部分的化工系讲授不止一门程序设 计语言，其分布如下：
C/C++ FORTRAN MATLAB Excel VB MATHCAD Other
21
MATLAB的特点
支持多平台操作系统（Windows、Unix、Linux） 编程语言简单易学（M语言） MATLAB编程效率高，可直接调用600多个内建MATLAB函数， 函数源代码公开，支持与VC、VB和CVF的混合编程技术 用途广泛，可用于数值计算、符号计算、数据分析、工程与 科学绘图、图形用户界面设计、建模和仿真、控制系统设计、 数字图像信号处理等。 功能超强，有众多面向具体应用的工具箱（如偏微分方程、 最优化、数理统计、样条函数、神经网络等）和Simulink仿 真模块。算法稳定、可靠。 具有开放式结构，扩展功能强，以及第三方公司的强力支持， 如求解PDE的FEMLAB。
9
计算分子科学的应用
New Bioprocesses Catalyst Design Improved Reaction Mechanisms Product Development (polymers,pharmaceuticals) Efficient Process Design Materials and Polymer Design Polymer Processing Environmental modeling and remediation
22
MATALB在化学化工中的应用
数值计算
Alkis Constantinides, navid Mostoufi. Numerical Methods for Chemical Engineering with MATLAB Applications. Prentice Hall,1999 Michael B. Cutlip & Mordechai Shacham. Problem Solving in Chemical Engineering with Numerical Methods， Prentice Hall,1999 Bruce A. Finlayson. Introduction to Chemical Engineering Computing, John Wiley & Sons, Inc., 2006 Kenneth J. Beers. Numerical Methods for Chemical Engineering: Applications in MATLAB, Cambridge University Press, 2007 James O. Wilkes. Fluid Mechanics for Chemical Engineers. Prentice Hall,1999 William J. Thomson. Introduction to Transport Phenomena. Prentice Hall,2000 Jaime Benitez. Principles and Modern Applications of Mass Transfer Operations. John Wiley & Sons, Inc., 2002 Fogler H S. Elements of Chemical Reaction Engineering. 3e, Prentice Hall,1999 Amo Löwe. Chemische Reaktionstechnik mit MATLAB und Simulink (German). Wiley-VCH Verlag GmbH, 2001 Hun Kim, Moon-Gap Kim, Hak-Young Lee, Young-Gu Yeo & Sung-Woo Ham. Thermodynamics in Chemical Engineering Using MATLAB(Korea). A-Jin Publishing Co., Ltd., 2002 Duong D. Do. Adsorption Analysis: Equilibria and Kinetics. Imperial College Press,1998
14
数学模型
数学模型是系统的某种特征的本质的数学表达式，
即用数学式子（如函数式、代数方程、微分方程、微积分 方程、差分方程等）来描述（表达、模拟）所研究的客观 对象或系统在某一方面的存在规律。
一切客观存在的事物及其运动状态统称为实体或对 象、对实体特征及变化规律的近似描述或抽象就是 模型 用模型描述实体的过程称为建模或模型化。 理想的数学模型必须满足以下两点。
University of Texas at Austin化工系 课程中所用计算机软件 Colorado 大 学 化 工 系 本 科 阶 段 接 触 的 软 件
物料衡算和能量衡算：EZ-Solver， Polymath 热力学：Mathcad，Polymath等 分离：Aspen 过程控制：Matlab、Excel 化学反应工程：Polymath、Octave 产品与过程设计：Aspen、Hysys、 Chemcad、Pro/II 统计：JMP、SAS、Minitab 不算Excel、CAD，一个学生需会用3 个以上软件。
数学与化工的联系千丝万缕
Doraiswami Ramkrishna (Purdue University), Neal R. Amundson (University of Houston). Mathematics in Chemical Engineering: A 50 Year Introspection. AIChE Journal, January 2004, 50(1): 7-23.
化工应用数学
Applied Mathematics for Chemical Engineering
MATLAB与Origin在化学化工中的应用
汤吉海
南京工业大学 化学化工学院
第1章
绪论
数学在化工中的重要作用 为什么学？ 求解数学模型的计算机工具 怎么学？
本课程的教学方式
2
1 数学在化工中的重要作用 化工应用数学——一个含糊的概念 解决化学工程问题的数学，体现方法论的数 学；也可以理解为“数学工程” 。
6
Mathematics in Chemical Engineering
7
未来化工中的计算技术
8
多尺度控制是化学及过程工程今后的发展方向，是化学工程学家必须关注的重要 问题。
－欧洲化学工程联合会主席J.-C. Charpentier教授 （Chem. Eng. Sci., 2002, 57: 4667-4690）
16
提高数学建模效率的方法
低效率
建立模型
高效率
建立模型
重点
编写算法
瓶颈
调用算法
分析结果
分析结果
重点
17
专有的商业化工软件
实质：数学模型和计算方法的有机集成
过程模拟：ASPEN PLUS、PRO/II、CHEMCAD、gPROMS等 分子模拟：Gaussian、Cerius 2、Materials Studio、 HyperChem、CHEMOFFICE 计算流体力学：CFX、FLUENT、StarCD等
13
计算化学工程的三个要素
描述真是体系的可靠的数学模型（核心）
过程模拟：反应机理、分离技术 分子模拟：量子力学、分子力学、统计力学和流体力学 计算流体力学：流体力学
高效率的计算方法
能够处理非常大的模型的非线性算法
强大的计算机硬件结构
能够适应不同时间尺度和空间尺度的大规模计算的超级并 行计算机
10
计算流体动力学的应用
Mixers Chemical Reactors Packed Beds Crystallizing/Dissolving Equipment Pneumatic Conveyors & Classifiers Flows in Pipes Sprays Biological Systems
研究对象 质量传递；动量传递；能量传递 化学反应过程
解决的问题 装置放大；流程设计
化学工程的方法论——解耦
热模研究：考察化学反应规律 冷模研究：考察流动与传递规律 数学模型：单元操作及化工流程行为模拟 中间实验：三种模型的结合 工业设计
4
化工数学
数学模型的作用
正问题：模拟、优化、控制 反问题：机理辨识、参数求取
11
模拟-实验-理论的关系
由模拟所得到的结果， 再经科学实验得到的 实验结果相互比较， 最后经过理论的验证， 便可以得到一个真正 完美的结论。 在近代科学研究中， 必须以实验验证理论， 以模拟辅助实验，三 者并行，如此便能达 到相辅相成的效果。
12
21世纪的过程工程开发与设计模式
University of Texas的T.F. Edgar教授等在 “Vision 2020: Computational Needs of the Chemical Industry”中给出了21世纪的过程工程开 发与设计模式
17
10
16
13
7
6
4
20
化工系学生需要掌握的计算机软件
Office MATHCAD MATLAB MATHEMATICA Simulink Polymath EZ-Solver HYSYS ASPEN+ Minitab Control Station Labview Ladsim Autocad
37%
65%
24%
37%
5%
82%
13%
15%
Swinnea教授从43份调查问卷中表明大部分的化工系讲授不止一门程序设 计语言，其分布如下：
C/C++ FORTRAN MATLAB Excel VB MATHCAD Other
21
MATLAB的特点
支持多平台操作系统（Windows、Unix、Linux） 编程语言简单易学（M语言） MATLAB编程效率高，可直接调用600多个内建MATLAB函数， 函数源代码公开，支持与VC、VB和CVF的混合编程技术 用途广泛，可用于数值计算、符号计算、数据分析、工程与 科学绘图、图形用户界面设计、建模和仿真、控制系统设计、 数字图像信号处理等。 功能超强，有众多面向具体应用的工具箱（如偏微分方程、 最优化、数理统计、样条函数、神经网络等）和Simulink仿 真模块。算法稳定、可靠。 具有开放式结构，扩展功能强，以及第三方公司的强力支持， 如求解PDE的FEMLAB。
9
计算分子科学的应用
New Bioprocesses Catalyst Design Improved Reaction Mechanisms Product Development (polymers,pharmaceuticals) Efficient Process Design Materials and Polymer Design Polymer Processing Environmental modeling and remediation
22
MATALB在化学化工中的应用
数值计算
Alkis Constantinides, navid Mostoufi. Numerical Methods for Chemical Engineering with MATLAB Applications. Prentice Hall,1999 Michael B. Cutlip & Mordechai Shacham. Problem Solving in Chemical Engineering with Numerical Methods， Prentice Hall,1999 Bruce A. Finlayson. Introduction to Chemical Engineering Computing, John Wiley & Sons, Inc., 2006 Kenneth J. Beers. Numerical Methods for Chemical Engineering: Applications in MATLAB, Cambridge University Press, 2007 James O. Wilkes. Fluid Mechanics for Chemical Engineers. Prentice Hall,1999 William J. Thomson. Introduction to Transport Phenomena. Prentice Hall,2000 Jaime Benitez. Principles and Modern Applications of Mass Transfer Operations. John Wiley & Sons, Inc., 2002 Fogler H S. Elements of Chemical Reaction Engineering. 3e, Prentice Hall,1999 Amo Löwe. Chemische Reaktionstechnik mit MATLAB und Simulink (German). Wiley-VCH Verlag GmbH, 2001 Hun Kim, Moon-Gap Kim, Hak-Young Lee, Young-Gu Yeo & Sung-Woo Ham. Thermodynamics in Chemical Engineering Using MATLAB(Korea). A-Jin Publishing Co., Ltd., 2002 Duong D. Do. Adsorption Analysis: Equilibria and Kinetics. Imperial College Press,1998
14
数学模型
数学模型是系统的某种特征的本质的数学表达式，
即用数学式子（如函数式、代数方程、微分方程、微积分 方程、差分方程等）来描述（表达、模拟）所研究的客观 对象或系统在某一方面的存在规律。
一切客观存在的事物及其运动状态统称为实体或对 象、对实体特征及变化规律的近似描述或抽象就是 模型 用模型描述实体的过程称为建模或模型化。 理想的数学模型必须满足以下两点。
University of Texas at Austin化工系 课程中所用计算机软件 Colorado 大 学 化 工 系 本 科 阶 段 接 触 的 软 件
物料衡算和能量衡算：EZ-Solver， Polymath 热力学：Mathcad，Polymath等 分离：Aspen 过程控制：Matlab、Excel 化学反应工程：Polymath、Octave 产品与过程设计：Aspen、Hysys、 Chemcad、Pro/II 统计：JMP、SAS、Minitab 不算Excel、CAD，一个学生需会用3 个以上软件。
数学与化工的联系千丝万缕
Doraiswami Ramkrishna (Purdue University), Neal R. Amundson (University of Houston). Mathematics in Chemical Engineering: A 50 Year Introspection. AIChE Journal, January 2004, 50(1): 7-23.
化工应用数学
Applied Mathematics for Chemical Engineering
MATLAB与Origin在化学化工中的应用
汤吉海
南京工业大学 化学化工学院
第1章
绪论
数学在化工中的重要作用 为什么学？ 求解数学模型的计算机工具 怎么学？
本课程的教学方式
2
1 数学在化工中的重要作用 化工应用数学——一个含糊的概念 解决化学工程问题的数学，体现方法论的数 学；也可以理解为“数学工程” 。
6
Mathematics in Chemical Engineering
7
未来化工中的计算技术
8
多尺度控制是化学及过程工程今后的发展方向，是化学工程学家必须关注的重要 问题。
－欧洲化学工程联合会主席J.-C. Charpentier教授 （Chem. Eng. Sci., 2002, 57: 4667-4690）
16
提高数学建模效率的方法
低效率
建立模型
高效率
建立模型
重点
编写算法
瓶颈
调用算法
分析结果
分析结果
重点
17
专有的商业化工软件
实质：数学模型和计算方法的有机集成
过程模拟：ASPEN PLUS、PRO/II、CHEMCAD、gPROMS等 分子模拟：Gaussian、Cerius 2、Materials Studio、 HyperChem、CHEMOFFICE 计算流体力学：CFX、FLUENT、StarCD等
13
计算化学工程的三个要素
描述真是体系的可靠的数学模型（核心）
过程模拟：反应机理、分离技术 分子模拟：量子力学、分子力学、统计力学和流体力学 计算流体力学：流体力学
高效率的计算方法
能够处理非常大的模型的非线性算法
强大的计算机硬件结构
能够适应不同时间尺度和空间尺度的大规模计算的超级并 行计算机
10
计算流体动力学的应用
Mixers Chemical Reactors Packed Beds Crystallizing/Dissolving Equipment Pneumatic Conveyors & Classifiers Flows in Pipes Sprays Biological Systems
研究对象 质量传递；动量传递；能量传递 化学反应过程
解决的问题 装置放大；流程设计
化学工程的方法论——解耦
热模研究：考察化学反应规律 冷模研究：考察流动与传递规律 数学模型：单元操作及化工流程行为模拟 中间实验：三种模型的结合 工业设计
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化工数学
数学模型的作用
正问题：模拟、优化、控制 反问题：机理辨识、参数求取
11
模拟-实验-理论的关系
由模拟所得到的结果， 再经科学实验得到的 实验结果相互比较， 最后经过理论的验证， 便可以得到一个真正 完美的结论。 在近代科学研究中， 必须以实验验证理论， 以模拟辅助实验，三 者并行，如此便能达 到相辅相成的效果。
12
21世纪的过程工程开发与设计模式
University of Texas的T.F. Edgar教授等在 “Vision 2020: Computational Needs of the Chemical Industry”中给出了21世纪的过程工程开 发与设计模式
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10
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20
化工系学生需要掌握的计算机软件
Office MATHCAD MATLAB MATHEMATICA Simulink Polymath EZ-Solver HYSYS ASPEN+ Minitab Control Station Labview Ladsim Autocad