第一章化工热力学(2014年)分析
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第一章 基础化工热力学篇-第一第二讲
~ M i (PV ) i
i 1
n
能量衡算方程：
n n d ~ ~ 2 (U v 2 / 2 ) Q Ws P dV M (PV ) (U M (v / 2 )) M i i i i dt dt i 1 i 1
n d 2 ~ (U M (v / 2 )) M i (H v 2 / 2 ) i Q W dt i 1
热力学第一定律第二定律例题
例②：一个绝热罐，内装190kg，60℃水，如果 水以＝0.2kg/s的稳定速度流出，而10℃的冷水 等量地流进罐，问需要多久罐里的水温度由60℃ 降到35℃，假设罐里的水充分搅拌，罐里的热损 耗可以忽略，对于液体Cv=Cp=C，与T，P无关。
热力学第一定律第二定律例题
3、Helm holtz自由能 定义：A≡U-ST 内能加上由热耦合而引起的能量，对于一个与外界 由热耦合而力学上孤立（保持V恒定）的体系，A 是有用的。 4、Gibbs自由能
定义：G≡H-TS≡U+PV-TS
内能加上力学和热耦合而引起的能差。
二、响应函数
响应函数是与实验关系最密切的热力学量，它 们为我们提供了这样一些知识，当体系的其他一些 独立的状态变量在可控制的条件下改变时，这些特 定的状态变量是如何变化的。 响应函数可分为热响应函数和力学响应函数。
热力学第一定律第二定律例题
恒温热源
T ' 200
Q' 2000kj
饱和蒸汽100℃ 装置
H1 2676.0kj / kg S1 7.3554kj / kg
液态水0℃
H2 0 S2 0
低温热源
化工热力学
绪
论
总目录
本章目录
热力学与机械工程结合 工程热力学 【讨论能量转换规律，并结合锅炉、蒸汽机、冷冻机等得出 一些数量的定量关系】
热力学与化学的结合 化学热力学 【在热力学内容中补充化合物及化学变化的特点，又增加了 气液溶液及化学反应的内容】 热力学与化学工程的结合 化工热力学 【主要侧重于工程计算。它既能解决能量的利用问题又强 调了组成变化的规律，要确定反应物与产物的化学平衡组成 规律，更要解决各种相平衡问题，即温度、压力与各相组成 分布的规律】
⑵强度性质与容量性质 解释:与系统的物质量无关的性质称为强度性质，如系 统的温度T、压力P等。反之，与系统中物质量的多少有关 的性质称为容量性质，如系统的总体积Vt、总内能Ut等。 单位质量的容量性质即为强度性质。 相律： 南大物理化学教材说法： 在保持体系相的数目不变的条件下，体系能够独立改变 的强度性质的数目，称自由度。 天津大学物理化学教材说法： 能够维持系统原有相数而可以独立改变的变量（可以是温度 压力和表示某一相组成的某些物质的相对含量）叫做自由度 数。
低压下所有真实气体行为趋近于理想气体行为。 理想气体的恒压摩尔热容只与温度有关故称真实气体 低压恒压热容为理想气体状态恒压热容。 这个概念至关重要。
绪 论
总目录 本章目录
本章作业 本章要求： 理解相律及意义 熟悉基本概念的含意 熟悉热力学性质计算的一般方法及原因
绪
论
总目录
本章目录
绪 论
总目录 本章目录
在一定条件下，液态水：液态水与水蒸汽平衡共存：液 态水、水蒸汽与冰平衡共存： 在一定条件下，苯与甲苯汽液平衡共存 系统的状态是由系统的强度性质所决定的。 将确定系统所需要的强度性质的数目称为独立变量，其 数目可从相律计算。
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 01第一章
选用教材
陈钟秀,顾飞燕,胡望明编.化工热力学(第三版).北京: 化学工业出版社,2001.6
参考书
张联科编.化工热力学，化学工业出版社 朱自强编.化工热力学，化学工业出版社 陈钟秀等.化工热力学学例题与习题，化学工业出版社。
6
前 言
几点建议：
课堂上按照老师的思路听懂内容，课后阅读教材和参考书。
13
1绪 论
1851 年：开尔文指出：不可能从单一热源取出热使 热力学第三定律：一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，
在任何自发过程中，熵总是增加，在绝热可逆过程中，熵增等于零。 之完全变为功，而不发生其它的变化。 在绝对零度，任何完美晶体的熵为零.
1854 年：克劳修斯正式命名其为“热力学第二定律”
16
1绪 论
1.1.3 化工热力学在化学工程中的应用
在科学研究与生产实践中，热力学是必不可少的工具：
指导与解决能量的合理利用 物质的有效分离与提纯 制备具有一定性能的材料 控制物质变化的方向性和限度
如何提高产率等
17
1绪 论
化工热力学在化学工程中的主要应用领域： 测量、关联与推算不同条件下物质的平衡性质； 对过程中能量的转化、传递、使用进行质和量的分析； 相平衡关系的描述和计算；
化工热力学
张 旭 xzhang@
1
前 言
化工热力学既要解决 化学问题 ，又要解决 工程问题 。它是讲
授将热力学原理应用于化学工程技术领域知识和应用能力的
一门课程。
化工热力学的 基础课程 是物理学、无机化学、物理化学、化
工原理等。 化工热力学是 化学工程学 的重要组成部分，是化工过程研究、 开发与设计的理论基础，与化学反应工程、分离工程关系密 切。
陈钟秀,顾飞燕,胡望明编.化工热力学(第三版).北京: 化学工业出版社,2001.6
参考书
张联科编.化工热力学，化学工业出版社 朱自强编.化工热力学，化学工业出版社 陈钟秀等.化工热力学学例题与习题，化学工业出版社。
6
前 言
几点建议：
课堂上按照老师的思路听懂内容，课后阅读教材和参考书。
13
1绪 论
1851 年：开尔文指出：不可能从单一热源取出热使 热力学第三定律：一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，
在任何自发过程中，熵总是增加，在绝热可逆过程中，熵增等于零。 之完全变为功，而不发生其它的变化。 在绝对零度，任何完美晶体的熵为零.
1854 年：克劳修斯正式命名其为“热力学第二定律”
16
1绪 论
1.1.3 化工热力学在化学工程中的应用
在科学研究与生产实践中，热力学是必不可少的工具：
指导与解决能量的合理利用 物质的有效分离与提纯 制备具有一定性能的材料 控制物质变化的方向性和限度
如何提高产率等
17
1绪 论
化工热力学在化学工程中的主要应用领域： 测量、关联与推算不同条件下物质的平衡性质； 对过程中能量的转化、传递、使用进行质和量的分析； 相平衡关系的描述和计算；
化工热力学
张 旭 xzhang@
1
前 言
化工热力学既要解决 化学问题 ，又要解决 工程问题 。它是讲
授将热力学原理应用于化学工程技术领域知识和应用能力的
一门课程。
化工热力学的 基础课程 是物理学、无机化学、物理化学、化
工原理等。 化工热力学是 化学工程学 的重要组成部分，是化工过程研究、 开发与设计的理论基础，与化学反应工程、分离工程关系密 切。
《化工热力学》详细课后习题答案解析(陈新志)
2习题第1章 绪言一、是否题1. 孤立体系的热力学能和熵都是一定值。
(错。
和，如一体积等于2V 的绝热刚性容器，被一理想的隔板一分为二，左侧状态是T ，P 的理想气体，右侧是T 温度的真空。
当隔板抽去后，由于Q ＝W ＝0，，，，故体系将在T ，2V ，0.5P 状态下达到平衡，，，）2. 封闭体系的体积为一常数。
（错）3. 封闭体系中有两个相。
在尚未达到平衡时，两个相都是均相敞开体系；达到平衡时，则两个相都等价于均相封闭体系。
（对）4. 理想气体的焓和热容仅是温度的函数。
（对）5. 理想气体的熵和吉氏函数仅是温度的函数。
（错。
还与压力或摩尔体积有关。
）6. 要确定物质在单相区的状态需要指定两个强度性质，但是状态方程 P=P (T ，V )的自变量中只有一个强度性质，所以，这与相律有矛盾。
（错。
V 也是强度性质）7. 封闭体系的1mol 气体进行了某一过程，其体积总是变化着的，但是初态和终态的体积相等，初态和终态的温度分别为T 1和T 2，则该过程的；同样，对于初、终态压力相等的过程有。
（对。
状态函数的变化仅决定于初、终态与途径无关。
）8. 描述封闭体系中理想气体绝热可逆途径的方程是（其中），而一位学生认为这是状态函数间的关系，与途径无关，所以不需要可逆的条件。
(错。
) 9. 自变量与独立变量是一致的，从属变量与函数是一致的。
（错。
有时可能不一致）10. 自变量与独立变量是不可能相同的。
（错。
有时可以一致）三、填空题1. 状态函数的特点是：状态函数的变化与途径无关，仅决定于初、终态 。
2. 单相区的纯物质和定组成混合物的自由度数目分别是 2 和 2 。
3. 封闭体系中，温度是T 的1mol 理想气体从(P ，V )等温可逆地膨胀到(P ，V )，则所做的功为i i f f(以V 表示)或 (以P 表示)。
4. 封闭体系中的1mol 理想气体(已知)，按下列途径由T 1、P 1和V 1可逆地变化至P，则mol ，温度为 和水 。
化工热力学-第一章
四、热力学的研究方法
抽象的、 方法来处理 （2）利用抽象的、概括的、理想的方法来处理 ）利用抽象的 概括的、理想的方法 问题，当用于实际时，加以修正。 问题，当用于实际时，加以修正。
如：理想气体 实际气体 剩余性质 超额性质 PV=RT PV=Z PV=ZRT =M- 实际的MR=M-M*=实际的-理想的 (气体） 气体）
=M实际的-理想的（液体） ME=M-Mid=实际的-理想的（液体）
修正项： ， ， 修正项：Z，MR，ME
五、学习化工热力学的目的、要求 学习化工热力学的目的、
1.目的 两个） 1.目的 （ 两个） （1）了解化工热力学的基本内容 （2）提高利用化工热力学的观点、方法来 提高利用化工热力学的观点、 分析、解决化工生产、工程设计、 分析、解决化工生产、工程设计、科学研究中 有关实际问题的能力。 有关实际问题的能力。
2.热力学的分支 2.热力学的分支
（1）工程热力学（Engineering 工程热力学（ Thermodynamics） Thermodynamics） 主要研究功、热转化， 主要研究功、热转化，以及能量利用率的 高低。 高低。 Thermodynamics） （2）化学热力学（Chemical Thermodynamics） 化学热力学（ 应用热力学原理研究有关化学中各类平 衡问题。 衡问题。 主要侧重于热力学函数的计算，主要是H 主要侧重于热力学函数的计算，主要是H、 的计算。 S、U、 F和G的计算。
工程热力学 化学热力学 化工热力学 经典热力学
3.化工热力学在化学工程中的地位 3.化工热力学在化学工程中的地位
原料 反应 反应工程 分离提纯 分离工程 产品
工艺学
化工动力学 催化工程
化工热力学
化工热力学重点难点考点剖析
第一章绪论（1） 明确化工热力学的主要任务是应用经典热力学原理，推算物质的平衡性质，从而解决实际问题，所以物性计算是化工热力学的主要任务。
（2） 掌握热力学性质计算的一般方法（3） 热力学性质计算与系统有关。
大家必须明确不同系统的热力学性质计算与其热力学原理的对应关系，这一点对于理解本课程的框架结构十分重要。
第二章流体的P-V-T关系（4） 应该理解状态方程不仅可以计算流体的p-V-T性质，而且在推算热力学性质中状态方程是系统特征的重要模型。
（5） 熟悉纯物质的P-V-T相图及其相图上的重要概念，如三相点、临界点、汽化线、熔化线、升华线、等温线、等压线等容线、单相区、两相共存区、超临界流体区等。
能在p-v图和p-T图中定性表达出有关热力学过程和热力学循环。
（6） 掌握由纯物质的临界点的数学特征约束状态方程常数的方法。
（7） 理解以p为显函数和以V为显函数的状态方程的形式，以及它们在性质计算中的区别。
（8） 能借助于软件用PR和SRK方程进行p-V-T性质计算，清楚计算时所需要输入的物性常数及其来源。
对于均相混合物性质的计算，需要应用混合法则，了解相互作用参数的含义和取值。
（9） 理解对应态原理的概念，掌握用图表和三参数对应态原理计算物性的方法，了解偏心因子对应态原理。
（10） 能够通过查寻有关手册，估算蒸汽压、饱和气液相摩尔体积、汽化焓等物性，清楚它们之间的关系。
第三章纯流体热力学性质的计算（11） 均相封闭系统的热力学原理给出了热力学性质之间的普遍化依赖关系，结合表达系统特征的模型就能获得不同热力学性质之间的具体表达式。
在物性推算中应该明确需要给定的独立变量，需要计算的从属变量，以及从属变量与独立变量之间的关系式。
另外，还必须输入有关模型参数，结合一定的数学方法，才能完成物性推算。
（12） 清楚剩余性质的含义，能用剩余性质和理性气体热容表达状态函数的变化。
能够用给定的状态方程推导出剩余性质表达式。
化工热力学
（2）RK方程 RK方程是1949年建立的。 形式
RT a/ T p V b V (V b)
其中的方程常数与vdw方程常数的导出方法类似，与纯物质 的临界参数的关系为
R 2Tc2.5 a 0.42748 pc RTc b 0.08664 pc
RK方程的的特点：与vdw方程相比，其Zc（等于1/3）较 小，故预测流体性质的准确度提高了，但是，对液相P-VT关系的描述准确度还不够高。 （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
第二章 流体的P-V-T性质
2.1 引言 1）用途：用流体的P-V-T性质，结合一定的热力学原理式， 可以推算更有用的性质M。这是流体的P-V-T性质的最重 要的用途之一，所以流体的P-V-T性质的研究是重要的基 础工作。 2）获得方法：流体的P-V-T性质的获得，主要通过两种方 法：一是实验测定，存在种种弊端 。虽然至今已经积累 了大量的纯物质及其混合物的P-V-T数据，如水、空气、 氨等，但是实验测定不具有普遍性，如费时、费力又耗 资；测定所有流体的P-V-T数据显然是不现实的，离散的 数据点不便于进行数学处理，难以采用理论的方法获得 数据点以外的或其它的热力学性质；二是用流体的临界 参数、正常沸点、饱和蒸气压等基础数据来预测流体的 P-V-T性质。这是具有实际意义的工作，因为绝大多数的 纯流体的上述基础数据能够在有关手册中查到, 这正是本 章要讨论的，
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 这种关系还要由此系统的特征来决定，这种特征在实际应 用过程中，常采用半经验模型来表达。本书涉及到的半经 验模型主要有两种，一是状态方程（EOS），可以表示为 P = P（T、V、a、b，…） 二是活度系数模型，可以表示为
化工热力学第一章.
——化工热力学的优点和局限性
优点： ③经典热力学只能处理极限情况的有关问题例： 解决化学平衡与相平衡组成的计算 ④在严格导出的热力学结论中，没有任何的假 想成分，因而结论是可靠的，具有普遍性。 例：热力学第二定律证明永动机不可能实现，那 么在这方面的努力是徒劳的。
第一章 绪 论
——化工热力学的优点和局限性
第一章 绪 论
——名词、定义、基本概念
5 能、功和热 (1)能是一个基本概念。所有物质都有能。能定 义为做功的容量。能是既不能创造，也不会毁 灭的。任何体系而言，输入的能量和输出的能 量之差等于该体系内贮藏着能的改变。体系的 内能指除动能和位能以外的所有形式的能，它 代表着微观水平的能的形式，我们无法测定内 能的绝对值，而只能计算出它的变化。内能的 符号是U，单位用J表示，工程上Cal表示。
第一章 绪 论
——名词、定义、基本概念
6焓
除内能外，还有许多热力学函数，焓 就是其中之一，它的定义可写为 H=U+PV式中H是焓，U是内能，P是绝 压，V是体积。由于U和PV都由体系的 状态所决定，因此焓也是个状态函数。 其单位和内能相同。
第一章 绪 论
——名词、定义、基本概念
7熵
可逆过程是一种极限，实际的过程则 或多或少地趋近这个极限在《物理化学》 中学习了Clausius不等式，
进行过程的能量衡算：
物料衡算和建立在热力学第一定律基础上
的能量衡算是所有化工工艺设计的基础。比如
（1）求取设备中的传热量、传质量或反应量
（2）确定设备的尺寸和台数
（3）操作条件分析、工艺改进、设计方案对比
第一章 绪 论
——化工热力学的主要研究内容
判断过程进行的方向和限度： 建立在热力学第二定律上的一些热 力学函数可以判断过程进行的方向和限 度， 在化工单元操作及反应器设计中， 平衡状态的确定、平衡组成的计算、多 组元相平衡数据的求取是非常重要的内 容。
优点： ③经典热力学只能处理极限情况的有关问题例： 解决化学平衡与相平衡组成的计算 ④在严格导出的热力学结论中，没有任何的假 想成分，因而结论是可靠的，具有普遍性。 例：热力学第二定律证明永动机不可能实现，那 么在这方面的努力是徒劳的。
第一章 绪 论
——化工热力学的优点和局限性
第一章 绪 论
——名词、定义、基本概念
5 能、功和热 (1)能是一个基本概念。所有物质都有能。能定 义为做功的容量。能是既不能创造，也不会毁 灭的。任何体系而言，输入的能量和输出的能 量之差等于该体系内贮藏着能的改变。体系的 内能指除动能和位能以外的所有形式的能，它 代表着微观水平的能的形式，我们无法测定内 能的绝对值，而只能计算出它的变化。内能的 符号是U，单位用J表示，工程上Cal表示。
第一章 绪 论
——名词、定义、基本概念
6焓
除内能外，还有许多热力学函数，焓 就是其中之一，它的定义可写为 H=U+PV式中H是焓，U是内能，P是绝 压，V是体积。由于U和PV都由体系的 状态所决定，因此焓也是个状态函数。 其单位和内能相同。
第一章 绪 论
——名词、定义、基本概念
7熵
可逆过程是一种极限，实际的过程则 或多或少地趋近这个极限在《物理化学》 中学习了Clausius不等式，
进行过程的能量衡算：
物料衡算和建立在热力学第一定律基础上
的能量衡算是所有化工工艺设计的基础。比如
（1）求取设备中的传热量、传质量或反应量
（2）确定设备的尺寸和台数
（3）操作条件分析、工艺改进、设计方案对比
第一章 绪 论
——化工热力学的主要研究内容
判断过程进行的方向和限度： 建立在热力学第二定律上的一些热 力学函数可以判断过程进行的方向和限 度， 在化工单元操作及反应器设计中， 平衡状态的确定、平衡组成的计算、多 组元相平衡数据的求取是非常重要的内 容。
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
化工热力学第一章课件资料
第三页，共38页。
第四页，共38页。
第五页，共38页。
教材和参考书
第六页，共38页。
教学内容
Chap 1 绪论
Chap 2 流体的PVT关系：状态方程式
Chap 3 纯流体的热力学性质计算
Chap 4 热力学第一定律及其应用
Chap 5 热力循环-热力学第二定律及其应用
Chap 6 化工过程热力学分析
你关心的问题和疑问
v 我要赚大钱！
v 到底是出国、考研还是工作？
v 化学工程与工艺专业不是我喜欢的专业！我想做律师、
公务员、做贸易！
v 我忙着考证将来找个好工作！
v 所有的课程我都不感兴趣！所以我忙着玩游戏！但我心
里也虚，不知怎么办？
v 化学工程是夕阳工业么？
第一页，共38页。
国家和全球关心的问题
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
达到平衡的理论极限、条件和状态。
– 它是化学工程学的一个重要组成部分，是化工过程开发、设计
和生产的重要理论依据。
Energy（能量）
Entropy（熵）
四个“E”
Equilibrium（平衡）
Chemical Engineering（化学工程）
♥ 化工是耗能大户，仅次于冶金。
第十页，共38页。
降低资源消耗
♠ 2003年，中国消耗了全球总产量30%的主要能源和原材料，创
造的GDP仅占世界的4%。
♠ 如果按每1美元生产总值能耗，我国比发达国家能耗高4~5倍。
♠ 目前，美国每万美元耗水为514m3,日本208m3,中国5045m3， 是
发达国家的8~20倍。
– 从局部的实验数据加半经验模型推算系统完整的信息
第四页，共38页。
第五页，共38页。
教材和参考书
第六页，共38页。
教学内容
Chap 1 绪论
Chap 2 流体的PVT关系：状态方程式
Chap 3 纯流体的热力学性质计算
Chap 4 热力学第一定律及其应用
Chap 5 热力循环-热力学第二定律及其应用
Chap 6 化工过程热力学分析
你关心的问题和疑问
v 我要赚大钱！
v 到底是出国、考研还是工作？
v 化学工程与工艺专业不是我喜欢的专业！我想做律师、
公务员、做贸易！
v 我忙着考证将来找个好工作！
v 所有的课程我都不感兴趣！所以我忙着玩游戏！但我心
里也虚，不知怎么办？
v 化学工程是夕阳工业么？
第一页，共38页。
国家和全球关心的问题
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
达到平衡的理论极限、条件和状态。
– 它是化学工程学的一个重要组成部分，是化工过程开发、设计
和生产的重要理论依据。
Energy（能量）
Entropy（熵）
四个“E”
Equilibrium（平衡）
Chemical Engineering（化学工程）
♥ 化工是耗能大户，仅次于冶金。
第十页，共38页。
降低资源消耗
♠ 2003年，中国消耗了全球总产量30%的主要能源和原材料，创
造的GDP仅占世界的4%。
♠ 如果按每1美元生产总值能耗，我国比发达国家能耗高4~5倍。
♠ 目前，美国每万美元耗水为514m3,日本208m3,中国5045m3， 是
发达国家的8~20倍。
– 从局部的实验数据加半经验模型推算系统完整的信息
《化工热力学》详细课后习题答案解析(陈新志)
2习题第1章 绪言一、是否题1. 孤立体系的热力学能和熵都是一定值。
(错。
和，如一体积等于2V 的绝热刚性容器，被一理想的隔板一分为二，左侧状态是T ，P 的理想气体，右侧是T 温度的真空。
当隔板抽去后，由于Q ＝W ＝0，，，，故体系将在T ，2V ，0.5P 状态下达到平衡，，，）2. 封闭体系的体积为一常数。
（错）3. 封闭体系中有两个相。
在尚未达到平衡时，两个相都是均相敞开体系；达到平衡时，则两个相都等价于均相封闭体系。
（对）4. 理想气体的焓和热容仅是温度的函数。
（对）5. 理想气体的熵和吉氏函数仅是温度的函数。
（错。
还与压力或摩尔体积有关。
）6. 要确定物质在单相区的状态需要指定两个强度性质，但是状态方程 P=P (T ，V )的自变量中只有一个强度性质，所以，这与相律有矛盾。
（错。
V 也是强度性质）7. 封闭体系的1mol 气体进行了某一过程，其体积总是变化着的，但是初态和终态的体积相等，初态和终态的温度分别为T 1和T 2，则该过程的；同样，对于初、终态压力相等的过程有。
（对。
状态函数的变化仅决定于初、终态与途径无关。
）8. 描述封闭体系中理想气体绝热可逆途径的方程是（其中），而一位学生认为这是状态函数间的关系，与途径无关，所以不需要可逆的条件。
(错。
) 9. 自变量与独立变量是一致的，从属变量与函数是一致的。
（错。
有时可能不一致）10. 自变量与独立变量是不可能相同的。
（错。
有时可以一致）三、填空题1. 状态函数的特点是：状态函数的变化与途径无关，仅决定于初、终态 。
2. 单相区的纯物质和定组成混合物的自由度数目分别是 2 和 2 。
3. 封闭体系中，温度是T 的1mol 理想气体从(P ，V )等温可逆地膨胀到(P ，V )，则所做的功为i i f f(以V 表示)或 (以P 表示)。
4. 封闭体系中的1mol 理想气体(已知)，按下列途径由T 1、P 1和V 1可逆地变化至P，则mol ，温度为 和水 。
精品课件!《化工热力学》_第一章(1)
四川理工学院
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化工热力学
Hale Waihona Puke 第一章绪论1、化学热力学： 将热力学理论和化学现象相结合。 研究热能与机械能之间转换规律及 2、工程热力学： 热力学 在工程中应用。 Energy 三个“E” 3、化工热力学：四个“E”。 除前三个外还有化学工程： Chemical Engineering 四川理工学院 材化学院 Entropy Equilibrium
1913年能斯脱补充了关于绝对零度的定律，称为热力 学第三定律。
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化工热力学
第一章
绪论
热力学的研究范围：
研究与热现象有关的各种状态变化和能量转化的规律。 预言物质状态变化的趋势。 研究伴有热效应体系的平衡。 利用热力学定律的数学表达式，采用演绎的方法得到 大量的公式,解决范围广泛的实际问题和理论问题。 热力学: 研究能量、能量转换以及转换有关的物性关系的科学。
局限:
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化工热力学
第一章
绪论
统计热力学 采用微观研究方法，通过配分函数的 概念，在大量粒子群的统计性质基础上，从根本上 观察和分析问题，预测与解释平衡情况下物质的宏 观特性。
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。
四川理工学院
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化工热力学
化工热力学
第一章
绪论
热力学的研究方法
经典热力学 宏观研究方法 微观研究方法
热力学
统计热力学
经典热力学只研究宏观量（温度、压力、密度等）之间的关 系。把组成物质的大量分子、原子等微观粒子作为一个整体，用 宏观物理量来描述它的状态，以宏观观点研究物质之间的相互作 用。不研究物质内部微观粒子的运动，而是通过大量宏观现象的 直接观察与实验，总结出带普遍性的规律，即热力学基本定律， 再从定律出发推理得到一切 结论。因此具有普遍性和可靠性。 由于不研究物质的结构与变化过程的细节，使之建立的 宏观理论不能解释现象的本质及其发生的内部原因，对过程变 化的速率无法预测。
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是国内外化学工程专业本科生（化工热力 学I）和研究生（化工热力学II）必修课程。
是一门训练逻辑思维和演绎能力的课程。
是一门培养节约资源、合理利用能源观点 的课程。
化工热力学也是一门“焓焓”糊糊“熵” 脑筋的课程。
2020/10/25
大连理工大学 张乃文
7
化工热力学在课程链上的位置
➢ 基础课： 高等数学、外语、大学物理、无机化 学、有机化学、分析化学、生物化学、化工制图、
量的戊烷而不是甲烷或己烷？
2020/10/25
大连理工大学 张乃文
10
Why?
7、为何从天然植物中提取香精、色素等有效成 分常用超临界萃取技术？萃取剂为何常选CO2？
8、酸雨对大理石雕像是否有害？ 9、10kg/cm2的水蒸气能否推动汽轮机？
10、石墨如何变成金刚石？H2O在什么温度压力 下能分解出H2和O2？N2和H2在什么温度压力 下才能合成出NH3 ？
2020/10/25
大连理工大学 张乃文
2
化学工程
科学基础
化学（反应，溶液） 物理（量子，统计） 数学（模拟，优化）
应用基础
化学工程
实际工业体系
相互作用复杂
非电解质溶液
相平衡
传递性质
电解质溶液
界面性质
复杂体系
混合电解质、混合溶剂
极端环境
高浓度、高温、多组分
技术，工艺
化学工业
有机和石油 能源 材料 生化 环境
9
Why?
1、冰箱的工作原理与空调是否相同？夏天打开冰 箱门是否能当空调？
2、空调与取暖器哪个更省电？ 3、注射青霉素过敏的原因是什么？怎样去除青霉
素中的杂质？ 4、假酒为何会喝死人？怎样去除酒精中的甲醇？ 5、为什么无水酒精的价格是95%酒精的二倍？主
要是哪一部分的成本提高了？ 6、液化石油气的主要成分为何是丙烷、丁烷和少
1-1-1 化工热力学的发展 1-1-2 化工热力学的研究内容
2020/10/25
大连理工大学 张乃文
14
1-1-1 化工热力学的发展 The Development of Chemical Engineering Thermodynamics
2020/10/25
大连理工大学 张乃文
15
1-1-1 化工热力学的发展
2020/10/25
大连理工大学 张乃文
12
第一章 绪论 Chapter 1 Introduction
第一节 第二节 第三节 第四节
化工热力学的范畴和任务 化工热力学的特点和限制 化工热力学的基本方法 概念和定义
2020/10/25
大连理工大学 张乃文
13
1.1 化工热力学的范畴和任务 1.1 The Scope of Thermodynamics
多相反应过程复杂 预测和集成应用
目的: 解决化学工程原理应用于新体系的瓶颈问题
意义: 最合理地利用能源和资源、保护生态环境和 人类健康
2020/10/25
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3
热爱你的专业吧！
“Chemical Engineering can do everything!”
2020/10/25
2020/10/25
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11
Why?
11、精馏塔的设计主要依据是什么？ 12、为什么要节能？如何节能？依据是什么？
❖ 全世界不可再生化石燃料的消耗占90%。 ❖ 中国目前超过50%的能源需要进口。 ❖ 中国人均能源消费不到世界平均水平的50% 。 ❖ 中国的能源利用率仅是世界平均水平的50% 。 ❖ 化工是耗能大户，仅次于冶金。
物理化学
化学热力学
化学动力学
➢ 专业基础课：化工原理、化工热力学、化学反应 工程、化工仪表与自动化➢ຫໍສະໝຸດ 专业课： 分离工程、化学工艺学 等
大学高等教育有相应的知识和技能要求，这 些要求是通过相应的课程学习和实践训练实现的。
2020/10/25
大连理工大学 张乃文
8
化工热力学的结构
化工热力学（核心、热力学分析）
流动系统热力学分析
单元操作、反应过程共性、特性分析
物 能 熵有
料 量 分效
衡 衡 析能
算算
分
析
相平衡热力学
化学反应平衡
溶液热力学基础
热力学性质与计算（H、U、S、A、G）
P、V、T关系
因为H、U、S、A、G等无法测定，但P、V、T 可以测定，由它们推出H、U、S、A、G等
2020/10/25
大连理工大学 张乃文
第一章 绪论 第二章 流体的p-V-T性质 第三章 纯流体的热力学性质 第四章 溶液热力学性质 第五章 流体相平衡 第六章 化工过程能量分析 第七章 压缩、膨胀、动力循环与制
冷循环 第八章 化学反应平衡
2020/10/25
大连理工大学 张乃文
6
关于化工热力学课程
化工热力学课程是化学工程专业最重要的 课程之一。
热现象是人类最早接触到的自然现象
之一。
热力学是研究能量、能量转换以及与
能量转换有关的物性间相互关系的科学。 热 力 学 (thermodynamics) 一 词 的 意 思 是 热 (thermo)和动力(dynamics)，既由热产生动
力，反映了热力学起源于对热机的研究。
1593年，伽利略研究出第一支温度计， 开始定量研究热学。
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4
化工热力学
第一章 绪论 第二章 流体的热力学性质 第三章 热力学第一定律及其应用 第四章 热力学第二定律及其应用 第五章 化工过程的热力学分析 第六章 溶液热力学性质 第七章 流体相平衡 第八章 化学反应平衡
2020/10/25
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5
化工热力学(第二版)
2020/10/25
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16
1-1-1 化工热力学的发展
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器作工成为重要 的研究课题。
早在十九世纪中期，就确立了关于 能量转化和守恒的热力学第一定律以及 关于热机效率的热力学第二定律。这两 个基本定律以及其他一些基本概念就构 成了热力学的基础。
Chemical Engineering Thermodynamics
化工热力学
2020/10/25
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1
前辈的忠告-摘自陈敏伯
只要是理论科学，都要反复几遍才能 得到要领，不要指望听一遍就懂个大概， 不要在“自我感觉差”面前退缩，“不懂” 意味着正在入门，更不要指望寓教于乐。 不过，在熬过长夜、豁然开朗之际，“乐” 却会不期而至，那是晨曦中第一原理送来 的神圣感。
是一门训练逻辑思维和演绎能力的课程。
是一门培养节约资源、合理利用能源观点 的课程。
化工热力学也是一门“焓焓”糊糊“熵” 脑筋的课程。
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7
化工热力学在课程链上的位置
➢ 基础课： 高等数学、外语、大学物理、无机化 学、有机化学、分析化学、生物化学、化工制图、
量的戊烷而不是甲烷或己烷？
2020/10/25
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Why?
7、为何从天然植物中提取香精、色素等有效成 分常用超临界萃取技术？萃取剂为何常选CO2？
8、酸雨对大理石雕像是否有害？ 9、10kg/cm2的水蒸气能否推动汽轮机？
10、石墨如何变成金刚石？H2O在什么温度压力 下能分解出H2和O2？N2和H2在什么温度压力 下才能合成出NH3 ？
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化学工程
科学基础
化学（反应，溶液） 物理（量子，统计） 数学（模拟，优化）
应用基础
化学工程
实际工业体系
相互作用复杂
非电解质溶液
相平衡
传递性质
电解质溶液
界面性质
复杂体系
混合电解质、混合溶剂
极端环境
高浓度、高温、多组分
技术，工艺
化学工业
有机和石油 能源 材料 生化 环境
9
Why?
1、冰箱的工作原理与空调是否相同？夏天打开冰 箱门是否能当空调？
2、空调与取暖器哪个更省电？ 3、注射青霉素过敏的原因是什么？怎样去除青霉
素中的杂质？ 4、假酒为何会喝死人？怎样去除酒精中的甲醇？ 5、为什么无水酒精的价格是95%酒精的二倍？主
要是哪一部分的成本提高了？ 6、液化石油气的主要成分为何是丙烷、丁烷和少
1-1-1 化工热力学的发展 1-1-2 化工热力学的研究内容
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1-1-1 化工热力学的发展 The Development of Chemical Engineering Thermodynamics
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1-1-1 化工热力学的发展
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第一章 绪论 Chapter 1 Introduction
第一节 第二节 第三节 第四节
化工热力学的范畴和任务 化工热力学的特点和限制 化工热力学的基本方法 概念和定义
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1.1 化工热力学的范畴和任务 1.1 The Scope of Thermodynamics
多相反应过程复杂 预测和集成应用
目的: 解决化学工程原理应用于新体系的瓶颈问题
意义: 最合理地利用能源和资源、保护生态环境和 人类健康
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“Chemical Engineering can do everything!”
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11、精馏塔的设计主要依据是什么？ 12、为什么要节能？如何节能？依据是什么？
❖ 全世界不可再生化石燃料的消耗占90%。 ❖ 中国目前超过50%的能源需要进口。 ❖ 中国人均能源消费不到世界平均水平的50% 。 ❖ 中国的能源利用率仅是世界平均水平的50% 。 ❖ 化工是耗能大户，仅次于冶金。
物理化学
化学热力学
化学动力学
➢ 专业基础课：化工原理、化工热力学、化学反应 工程、化工仪表与自动化➢ຫໍສະໝຸດ 专业课： 分离工程、化学工艺学 等
大学高等教育有相应的知识和技能要求，这 些要求是通过相应的课程学习和实践训练实现的。
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化工热力学的结构
化工热力学（核心、热力学分析）
流动系统热力学分析
单元操作、反应过程共性、特性分析
物 能 熵有
料 量 分效
衡 衡 析能
算算
分
析
相平衡热力学
化学反应平衡
溶液热力学基础
热力学性质与计算（H、U、S、A、G）
P、V、T关系
因为H、U、S、A、G等无法测定，但P、V、T 可以测定，由它们推出H、U、S、A、G等
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第一章 绪论 第二章 流体的p-V-T性质 第三章 纯流体的热力学性质 第四章 溶液热力学性质 第五章 流体相平衡 第六章 化工过程能量分析 第七章 压缩、膨胀、动力循环与制
冷循环 第八章 化学反应平衡
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6
关于化工热力学课程
化工热力学课程是化学工程专业最重要的 课程之一。
热现象是人类最早接触到的自然现象
之一。
热力学是研究能量、能量转换以及与
能量转换有关的物性间相互关系的科学。 热 力 学 (thermodynamics) 一 词 的 意 思 是 热 (thermo)和动力(dynamics)，既由热产生动
力，反映了热力学起源于对热机的研究。
1593年，伽利略研究出第一支温度计， 开始定量研究热学。
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化工热力学
第一章 绪论 第二章 流体的热力学性质 第三章 热力学第一定律及其应用 第四章 热力学第二定律及其应用 第五章 化工过程的热力学分析 第六章 溶液热力学性质 第七章 流体相平衡 第八章 化学反应平衡
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化工热力学(第二版)
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1-1-1 化工热力学的发展
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器作工成为重要 的研究课题。
早在十九世纪中期，就确立了关于 能量转化和守恒的热力学第一定律以及 关于热机效率的热力学第二定律。这两 个基本定律以及其他一些基本概念就构 成了热力学的基础。
Chemical Engineering Thermodynamics
化工热力学
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1
前辈的忠告-摘自陈敏伯
只要是理论科学，都要反复几遍才能 得到要领，不要指望听一遍就懂个大概， 不要在“自我感觉差”面前退缩，“不懂” 意味着正在入门，更不要指望寓教于乐。 不过，在熬过长夜、豁然开朗之际，“乐” 却会不期而至，那是晨曦中第一原理送来 的神圣感。