化工热力学第一章

(8)
热力学第一定律应用
第一章 绪论-热力学基本定律
2 2
ΔH gΔz
Δu 2 2
Q Ws
mΔH m dH m C pdT mC p (T2 T1) 12.06 103 kJ
1 1
mgΔz 100 9.81 3 2.94kJ
将空气当成理想气体，PV=RT则
教学内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第七章 第十章 绪论 流体的 P-V-T 关系 纯流体的热力学性质 流体混合物的热力学性质 化工过程的能量分析 相平衡 化学反应平衡
第一章 绪论
• 化工热力学概念
• 化工热力学的基本内容 • 热力学的研究方法
• 学习目的和要求
• 热力学基本定律
第一章 绪论-化工热力学概念
例1：303K的空气，以10m∙s-1的速率流过一垂直安装 的热交换器，被加热至423K。若换热器进出口管截 面积相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高 度为3m，空气的恒压热容Cp=1.005J∙kg ∙K-1。求 100kg空气从换热器吸收的热量。
ΔH gΔz
Δu 2 2
Q Ws
第一章 绪论-化工热力学概念
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
能量的合理利用 物质的有效分离与提纯 选择反应工艺条件，设计反应器 确定分离、提纯方法，设计分离设备 测量、关联与推算不同条件下物质 的平衡性质。 为能量的有效利用、减少损耗、达 到节能的目的提高理论基础。 相平衡理论为选择反应工艺条件， 设计合理的反应器提供基础 物性及热力学性质是化学工艺设计 中不可缺少的基础数据。
第一章 绪论-热力学基本概念及定律
热力学基本概念
(1)系统与环境 热力学研究对象即为系统（system),其余的为环境 （surroundings). 封闭系统（Closed system): 系统与环境间只有能量交换，无物质交换。 敞开系统（Opening system): 系统与环境间有能量交换，也有物质交换。 孤立系统（Isolated system): 系统与环境间无能量交换，也无物质交换。 (2) 热力学性质 物质的性质分为热力学性质和传递性质。热力学性质是指物质处于平 衡状态下压力p、体积V、温度T、物质的量ni及其他的热力学函数 （内能U、焓H、熵S等）之间的变化规律。传递性质指物质与能量传 递过程的非平衡特性，如热导率，扩散系数和黏度等。 (3) 状态函数和过程函数 与系统状态变化的途径无关，仅取决于初态和终态的量为状态函数。 与系统状态变化的途径有关的量为过程函数，如热和功。
E Q W
E是系统由始态至终态交换了热和功，而引起系统 能量的变化，即系统内能的变化。因此，封闭系 统热力学第一定律的数学表达式为：
ΔU Q W
(6)
热力学第一定律
第一章 绪论-热力学基本定律
稳定流动过程：
系统在各个位置上，物料状态与流量有完全确定的 数值，不随时间而改变。系统内不会有能量积累或 亏损。E=0
Δu 2 [(13.96)2 (10)2 ] m 100 4.744kJ 2 2
mWs 0
Q 12.06 10 2.94 4.744 12.067 10 kJ
3 3
空气流经换热器所吸收的热量，主要用于增加空气的 焓值。动能与位能的增量，完全可以忽略不计。
第一章 绪论-化工热力学概念
2.热力学的分支 工程热力学 化学热力学
化工热力学 经典热力学
经典热力学本身不能计算化学或 物理过程的速率，它提供了宏观 性质的公式，不可能揭示过程的 微观机理。
第一章 绪论-化工热力学概念
2.热力学的分支
统计热力学 分子热力学
分子热力学从微观角度，将经典热力学、统计物 理、量子力学及有限的实验数据结合起来，通过 建立数学模型、拟合模型参数，对实际系统热力 学性质进行计算与预测。 其所建立的模型只是实际结构的近似描写，应用 于复杂分子、高压下的气体或液体等系统中困难 较大，就工程应用而言，还有一定的局限性。
工艺学
化工动力学 化工热力学 催化工程
第一章 绪论-化工热力学的基本内容
四大部分内容
相平衡 化学反应平衡 过程热力学分析
热力学基 本定律
热力学微 分方程
热力学状 态函数
热力学基础数据 P, V, T，Cp，Cv
理论部分
实际部分
第一章 绪论-热力学的研究方法
两种：宏观研究法和 微观研究法 宏观研究法（重点）有两种最基本的方法 （1）利用热力学函数和物质状态之间的关 系， 解决实际问题。


要掌握化工热力学的研究方法（两种方法）。
除基本理论概念外，要特别注意计算技能。

作业步骤清晰，思路明确，计算基准、单位要妥
当。
第一章 绪论-学习目的和要求
措施
1.
着重于基本概念的理解，对重要的公式加 以推导。
2. 3.
作业要做，独立完成。
结成小组，每个小组要讲解一部分内容， 其他同学要提出相关的问题
化工热力学
Chemical Engineering Thermodynamics
主讲：庄艳歆 东北大学EPM实验室
课时：48学时
教材和参考书
1 陈钟秀, 顾飞燕，胡望明. 化工热力学, 第二版. 北京:化学工业出版社, 2001 2 陈钟秀, 顾飞燕. 化工热力学例题与习题. 北京: 化学工业出版社, 1998 3 高光学，童景山，化工热力学，第2版，清华 大学出版社，2007 4 J.M. Smith等著，刘洪来等译，化工热力学 导论，化学工业出版社，2008
ΔH Q
(9)
说明对于稳定流动过程热衡计算时，如果WS=0， 则可以利用系统的焓变确定过程的热量Q。
热力学第一定律应用
第一章 绪论-热力学基本定律
流体流经泵、压缩机、鼓风机等设备：
可以忽略流体进出口动能、位能，则式（8）变 为
ΔH Q Ws
(10)
如果设备散热很慢，则Q=0。
ΔH Ws
（1）工程热力学（Engineering Thermodynamics） 主要研究功、热转化，以及能量利用率的高低。 （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。主要侧重于工程计算。以 热力学第一定律、第二定律为主要内容，既要解决化工过程中的各 种能量的相互转化和有效利用问题，也解决相际间质量传递与化学 反应的方向与限度等问题。 （4）统计热力学（Statistical Thermodynamics） 从微观角度出发研究过程的热现象。 ……
第一章 绪论-热力学基本概念及定律
(4)平衡状态与可逆状态 平衡状态是一种相对静止的状态，此时，系统与环 境之间净流（物质和能量）为零。 可逆状态是系统经过一系列平衡状态所完成的，其 功耗与沿同路径逆向完成该过程所获得的功是等量的。 (5) 热力学过程与循环 经典热力学中，系统的变化是从一个平衡状态到另一 个平衡状态，这种变化称为热力学过程。如：恒温过程、 恒压过程、恒焓过程、恒熵过程、绝热过程等等 热力学循环是指系统经过某些过程后，又回到了初态
整理
E (ΔU gΔz
Δu 2 2
) Q W
(2)
热力学第一定律
第一章 绪论-热力学基本定律
对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功Ws和流 动功之和 W = WS + p1V1 - p2V2 (3) 得到：
Δu2 E ΔU gΔz Δ( pV ) Q Ws 2
如：已知 T,P
V, ρ
第一章 绪论-热力学的研究方法
（2）利用抽象的、概括的、理想的方法来处理问题，当用 于实际时，加以修正。
如：理想气体 PV=RT
实际气体
剩余性质
PV=ZRT
MR=M-M*=实际的-理想的 (气体）
超额性质
ME=M-Mid=实际的-理想的（液体）
修正项：Z，Mຫໍສະໝຸດ Baidu，ME
第一章 绪论-学习目的和要求
ΔU gΔz Δu 2 2 Δ( pV ) Q Ws
(7)
或
ΔH gΔz
Δu 2 2
Q Ws
(8)
热力学第一定律应用
第一章 绪论-热力学基本定律
热力学第一定律应用 流体流经反应器、换热器、传质设备等： 不作轴功，WS=0；流体进出口动能、位能可忽 略，则式（8）变为
第一章 绪论-热力学基本定律
热力学第一定律-------能量守恒定律
当有单位物质进入并离开 系统，设单位质量物质带 入、带出的能量分别为E1， E2，系统中积累的能量为 E，则 E1－E2＋Q＋W＝E (1) 单位质量带入带出的能量有： 内能：U1，U2；位能：gz1，gz2 动能：u12/2， u22/2
可以利用焓变计算设备轴功。
(11)
热力学第一定律应用
第一章 绪论-热力学基本定律
流体在喷管中进行绝热稳定流动：
因为喷管进、出口截面积变化较大，动能的变 化不能忽略。位能变化可以忽略，则式（8）变 为
ΔH Δu 2 2
(12)
说明系统动能的增加，等于其焓值的减少。
热力学第一定律应用
第一章 绪论-热力学基本定律
(4)
根据焓的定义 H=U+pV
Δu2 E ΔH gΔz Q Ws 2
(5)
式（2）、（4）、（5）都是热力学第一定律的一 般方程式。
热力学第一定律
第一章 绪论-热力学基本定律
封闭体系：
系统和环境没有质量交换，式（1）中因有质量进、 出系统而引起的能量变化项为零，则：
WS Z2 2 1
Q 1 Z1 2
敞开体系
热力学第一定律
第一章 绪论-热力学基本定律
系统与环境交换的能量有：热Q、功W
2 2 u1 u2 E1 U1 gz1 , E2 U 2 gz2 2 2
将各已知项代入（1）
2 2 u1 u2 (U1 gz1 ) (U 2 gz2 ) Q W E 2 2
第一章 绪论-热力学基本定律
（3）位能 质量为m(kg)的物质，所处高度若在基准面之上 Z(m)时，它所具有作功能力——位能mgZ (J)。 （4）热Q与功W 热与功是在传递过程中才能表现出的两种能量形 式。它们不能贮存在系统之内。系统与环境间由于 温差而传递的能量称为热 Q。吸热为正，放热为负。 在除温差之外的其他推动力影响下，系统与环境间 传递的能量称为功 W。化工热力学中常限体积功， 系统对环境做功为负，得功为正。
1.热力学（Thermodynamics）
主要研究热现象和能量转换的.热力学是以宏观 体系作为自己的研究对象,就内容而言,它涉及到热机 的效率,能量的利用,各种物理、化学乃至生命过程的 能量转换,以及这些过程在指定条件下有没有发生的 可能性。
第一章 绪论-化工热力学概念
1.热力学（Thermodynamics）
第一章 绪论-热力学基本概念与定律
能量的形式
（1）内能 U 物质内部所具有的能量的总和。包 括物质内部由 于分子热运动所形成的内动能；分子间相互作用的内 位能；分子内原子、原子核、电子等各种粒子运动以 及粒子间相互作用而形成的分子内能量等。不包括物 质整体的动能与位能。内能只与物质内部结构以及所 处的状态有关。 （2）动能 质量为m(kg)的物质，以u(m∙s-1)的速率运动，所具 有的动能为1/2 m u2 (J)。
四大特征 （1）严密性:表现在热力学具有严格的理论基础。 （2）完整性:是由于热力学具有热力学第一定律、热力 学第二定律、 热力学第三定律和零定律。 （3）普遍性:普遍性表现在热现象在日常生活中必不可 缺少。 （4）精简性:表现在热力学能够定性、定量地解决实际 问题。
第一章 绪论-化工热力学概念
2.热力学的分支
目的 （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。 （3）锻炼和培养合作精神、自学能力和分析 解决问题的能力。
第一章 绪论-学习目的和要求
要求（ 四个）

要明确各章节的作用，即解决什么问题，得出什 么结论。