化工热力学-第1章 绪论-冯新-75

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一、 化工热力学的定义和用途
1、化工热力学的定义 A、热力学（Thermo-dynamics ） 说法1：讨论热与功转化规律的科学。 说法2：是研究自然界各种形式能量之间相互转化 的规律，以及能量转化对物质的影响的科学。
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”
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Chemical Engineering is a powerful horse that explores and claims new territories
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化学工程

化学工程是以化学、物理、生物、数学的基本原理作 为基础，研究物质转化、物质形态和物质组成的一门 工程科学。它是将知识转化为生产力、为社会创造价 值、为社会服务的一门核心科学。

“21世纪多数工业中，化学工程扮演着战略角色，具有很 大的发展空间”
海水淡化
饮用水 净化处理
城市废 水资源化
天然气
生物 质利用
燃料电池
水资源
化学工程 传统工业
冶 金 制 药 食 品 化工 与石化 电 子
能源 生态环境
CO2 控制 除 尘 洁净燃烧
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热爱你的专业吧！ “Chemical Engineering can do everything!”
Why ？?
继续
单级蒸汽压缩制冷
冷冻室 高 温 环 境
冷凝器
蒸发盘管
毛细管
冷凝盘管
蒸 发 器
压缩机
低 温 冷 室
继续
单级蒸汽压缩制冷
空调
返回
Why ？?
Why？?
Why ？?
5、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？ 6、为何在高度污染的河流中的鱼体内PCB虽未过量， 但鱼肝中却大大超量。 7、精馏塔的设计主要依据是什么？ 8、如何节能减排？依据是什么？
工过程开发、设计和生产的重要理论依据。
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化工热力学
热力学 化 工 热 力 学
化学
工程学
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经典热力学
无论是工程热力学还是化学热力学还是化
工热力学，它们均是经典热力学，遵循经 典热力学的三大定律（热力学第一、第二、 第三定律），不同之处是由于热力学应用 的具体对象不同，决定了各种热力学解决 问题的方法有各自的特点。

化学工业的核心是：通过化学反应或者生物反应，实 现物质转化；通过化学工程的过程工业实现产品提纯 和产品形态的加工。
化学工程服务面很广——生物、医药、材料、环境、 石油、化工等诸多领域；同时又对基础知识要求很宽 的专业学科、工程学科。 意义: 最合理地利用能源和资源、保护生态环境和人 类健康，为人们幸福生活而服务！ 9
每16
美元/吨。
重庆企业1200万吨废气指标卖了10亿元。28个
签约项目包括煤矿瓦斯利用、冶金高（焦）煤 气发电、化工余热余气利用、垃圾填埋气发电、 小火电减排 。 江苏梅兰化工股份有限公司和常熟三爱富中昊 化工新材料有限公司的温室气体减排交易，是 迄今为止最大的单笔企业配额交易，交易金额 高达10.2亿美元 。
第七章 压缩、膨胀、动力循环与制冷循环 （7学时）
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第一章
绪
论
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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。 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。 化工热力学是“焓焓”糊糊“熵”脑筋的课 程。 学时56。 15
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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。

⑷精简性：
表现在热力学能够定性、定量地解决实际问
题。
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B、化学热力学（ Chemical Thermodynamics） ——将热力学的基本理论应用于化学领域，则为化学热力学。 主要研究解决化学和物理变化进行的方向和限度。特别是 对化学反应的可能性和平衡条件作出预测。 内容包括热化学、相平衡和化学平衡等部分（是物理化学 的一部分）。 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。 特点： 制冷、发电 介质简单：水蒸气、氨、氟里昂

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新能源——可燃冰

1M3“可燃冰”释放出的能量相当于164M3的天然气。 全球“可燃冰”总能量，是所有煤、石油、天然气 总和的2～3倍。 “可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子(CH4· 2O)。 H 勘探需要知道：在海底下，何种温度、压力下会形 成“可燃冰”？ 热力学能解决！


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湿空气作为热力循环的工作介质

化工热力学 到底能干什么？
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http://msce.njut.edu.cn
Why ？?
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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？(链接)
2、如果用空气作为潜水员在海底的呼吸介质，为 何会出现类似麻醉现象？ 3、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？ 4、液化石油气的主要成分为何是丙烷、丁烷和少 量的戊烷，而不是甲烷或已烷？ Why ？?
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③描述物态变化的规律和状态性质。
流体p-V-T关系
RT a p 2 V b V
状态方程→低温技术 →氦气液化→发现超 导现象→寻求高温超 导材料→磁悬浮列车
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一、 化工热力学的定义和用途
2、化工热力学的用途
①确定化学反应发生的可能性及其方向，确定反
应平衡条件和平衡时体系的状态。（可行性分析）
石墨————>金刚石？
常温、常压
判据？
H2O ————> H2+O2 ？
常温、常压
N2+ H2 ————> NH3 ？
常温、常压
G 0 ？ G 0 ？
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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。
将工程热力学和化学热力学应用于化工与生
物、能源、信息、环境、材料等的交叉领域。
研究化工过程中各种能量以及物质相互转化
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
六、本课程的内容
一、 化工热力学的定义和用途
1、化工热力学的定义
A、热力学（Thermo-dynamics ）
B、工程热力学（Engineering Thermodynamics）
C、化学热力学（ Chemical Thermodynamics） D、化工热力学（ Chemical Engineering Thermodynamics）
近10年来的实际应用已经证明，如果在
空气中加入10~15%水蒸气，可以提高 透平10~20%的效率 。
需要研究该体系高温高压下的热力学性
质！
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可能的CO2碳封存方法
（1）二氧化碳填埋到含水层 （2）二氧化碳填埋到地下油层，增加石油产量。 （3）填埋到地下煤层，增加甲烷产量。
评估CO2地质减排的可行性 要求在中等压力和温度下 CO2和水的压力-温度-组 成（P-T-X）数据关系
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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 帮助养活了全世界。
10.生物医学工程 。
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“生活处处皆化工”
G G 0 G G dT dP T P P T T1 298.15 P .101325
T P
在1400℃，5-10万atm下，石墨金刚石
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②描述能量转换的规律，确定某种能量向目标能量
转换的最大效率。（能量有效利用） 化学工程师开发和设计某一化工过程阶段， 必须考虑能耗问题。 如:美国一聚乙烯醇工厂能耗大，特别是分离工段的 能耗占全厂的65%，应用热力学相平衡的成果，将进 料中乙醛含量由0.7%降至0.4%后，操作费用节省 50%。 化工过程的能量 有效合理利用！
化工热力学
Chemical Engineering Thermodynamics
1
国家和全球关心的问题
和谐社会 节能减排
气候变化越来越看得见、摸得着
CO2排放与气候变化之间的关系
“低碳经济”
低能耗——能量的最大利用 低污染——物质的最大利用
谁主沉浮？
2
减Leabharlann Baidu交易
全球CO2排放指标交易行情大幅上涨！
3
化学工程能做什么？
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！
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。）
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。
19世纪“蒸汽机”——热转换为功。
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热力学的四大特性

⑴严密性：
表现在热力学具有严格的理论基础。热力学证明是可以
行通的事情，在实际当中才能够行的通；热力学证明是 不可行的事情，在实际当中无论采用什么措施，也实施 不了。

⑵完整性
由于热力学具有 热力学第一定律：能量守恒定律������ 第二定律：熵增原理、热效率������ 第三定律：绝对熵定律������ 第零定律：热平衡定律 这四大定律使热力学成为一门逻辑性强而完整的科学。

全世界不可再生化石燃料的消耗占90%。 中国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。
Why ？?
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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。 中国很多地区的经济增长速度是靠高投资、高能耗、 高污染换来的。
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我们的新教材

冯新，宣爱国， 周彩荣，田永淑， 龙小柱.《化工热力 学》，北京：化学 工业出版社，2009.
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化工热力学课程内容
第一章 绪 论（2学时）
第二章 流体的p-V-T 关系和状态方程（6学时）
第三章 纯流体的热力学性质计算 （6学时）
第四章 溶液热力学性质的计算 （13学时）
第五章 相平衡（12学时） 第六章 化工过程能量分析（10学时）


CO2-H2O体系 CO2-NaCl-H2O体系 CO2-NaCl-KCl-H2O体系 CO2-CH4-H2O体系
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学习指 导 内 容
一、化工热力学的定义和用途 二、化工热力学研究内容和特点 三、热力学的研究方法 四、为何学和如何学好化工热力学 五、化工热力学和其它化学工程分
支学科间的关系
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400℃ ；300atm
石墨金刚石？

例1：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。
G 0 2.9 kJmol1 0 , 在 298.15 K ,1atm下 不 可 行, 其 它 条 件 下 的 ( T , P ) ? G
不论是人们的衣、食、住、行，还是现代的
高科技产品，都有化学工程的影子，真可谓 “生活处处皆化工” 。
在美国和德国，化学工业都是第二大经济支
柱产业。
从我国“十五”统计情况看，国民经济产值
的1/6是由化学工业提供的。
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化学工程的作用

中国对环境的要求越来越高，包括水资源、固体废 弃物等等，都需要化学工业作为支撑，需要化工提 供新材料、新能源、新资源，为国家的发展和人们 的生活提供服务。 我国“十一五”规划中提出了两个指标：单位GDP 的能耗降低20%，废弃物排放减少10%，要实现这 两个指标，就要高效、节能、绿色。这对化学工业 的研究、生产提出了更高的要求，由此也可以看出 化学工业的重要性。