化工热力学-第1章 绪论-冯新-75
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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
化工热力学的教学课件
热力学中因做功的方式不同，有各种形式的功
机械功、电功、化学功、表面功、磁功体系所
得的功（环境对体系做功）为正值，体系所失
的功（对环境做功）为负值。功不是体系的性
质，不是状态函数，而是和过程所经的途径有
关。在国际单位制中功的单位也用J表示。
第一章 绪 论
——名词、定义、基本概念
5 能、功和热
（3)热：从经验知道，一个热的物体和一个冷的
1593年：伽利略制造出第一只温度计
1784年：有了比热的概念
18世纪末：证明了热不是一种物质
1824年：卡诺提出了理想热机的设想
1738年：伯努利提出了第一个能量守恒实例
提出了热力学第一定律
1824年：焦耳测定了热功当量
第一章 绪 论
——化工热力学的发展简史
1850年：克劳休斯证明了热机效率，提出了热力学第
物体相接触，冷的变热了，而热的变冷了。说
明在它们之间有某种东西在相互传递着，人们
称这种东西为热。当热加到某体系以后，其贮
存的不是热，而是增加了该体系的内能。有人
形象化地把热比作雨，而把内能比作池中的水，
当体系吸热而变为其内能时，犹如雨下到池中
变成水一样体系吸热取正值，放热取负值。
第一章 绪 论
——名词、定义、基本概念
G等）表示。上述三个问题的解决离不开
热力学数据与物性数据
第一章 绪 论
——化工热力学的主要研究内容
提供热力学数据与物性数据：
但是，热力学的有效应用（如过程模
拟与放大），往往由于缺乏热力学基础
数据而发生困难。根据统计，现有十万
种以上的无机化合物和近四百万种有机
化合而热力学性质已研究得十分透彻的
机械功、电功、化学功、表面功、磁功体系所
得的功（环境对体系做功）为正值，体系所失
的功（对环境做功）为负值。功不是体系的性
质，不是状态函数，而是和过程所经的途径有
关。在国际单位制中功的单位也用J表示。
第一章 绪 论
——名词、定义、基本概念
5 能、功和热
（3)热：从经验知道，一个热的物体和一个冷的
1593年：伽利略制造出第一只温度计
1784年：有了比热的概念
18世纪末：证明了热不是一种物质
1824年：卡诺提出了理想热机的设想
1738年：伯努利提出了第一个能量守恒实例
提出了热力学第一定律
1824年：焦耳测定了热功当量
第一章 绪 论
——化工热力学的发展简史
1850年：克劳休斯证明了热机效率，提出了热力学第
物体相接触，冷的变热了，而热的变冷了。说
明在它们之间有某种东西在相互传递着，人们
称这种东西为热。当热加到某体系以后，其贮
存的不是热，而是增加了该体系的内能。有人
形象化地把热比作雨，而把内能比作池中的水，
当体系吸热而变为其内能时，犹如雨下到池中
变成水一样体系吸热取正值，放热取负值。
第一章 绪 论
——名词、定义、基本概念
G等）表示。上述三个问题的解决离不开
热力学数据与物性数据
第一章 绪 论
——化工热力学的主要研究内容
提供热力学数据与物性数据：
但是，热力学的有效应用（如过程模
拟与放大），往往由于缺乏热力学基础
数据而发生困难。根据统计，现有十万
种以上的无机化合物和近四百万种有机
化合而热力学性质已研究得十分透彻的
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
化工热力学答案冯新宣爱国课后总习题答案详解
5.从成型工艺出发，欲获得理想的粘度，主要取决于对温度、剪切速率和压力这三个条件的合理选择和控制。
6.料流方向取决于料流进入型腔的位置，故在型腔一定时影响分子取向方向的因素是浇口位置。
7.牛顿型流体包括粘性流体、粘弹性流体和时间依赖性流体。
8.受温度的影响，低分子化合物存在三种物理状态：固态、液态、气态。
稳定剂：提高树脂在热、光和霉菌等外界因素作用时的稳定性。
润滑剂：改进高聚物的流动性、减少摩擦、降低界面粘附。
着色剂：使塑料制件具有各种颜色。
3.增塑剂的作用是什么？
答：在树脂中加入增塑剂后，加大了分子间的距离，削弱了大分子间的作用力。这样便使树脂分子容易滑移，从而使塑料能在较低温度下具有良好的可塑性和柔软性。增塑剂的加入虽然可以改善塑料的工艺性能和使用性能，但也使树脂的某些性能降低了，如硬度、抗拉强度等。
15.收缩率的影响因素有压力、温度和时间。
16.塑料在一定温度与压力下充满型腔的能力称为流动性。
17.根据塑料的特性和使用要求，塑件需进行后处理，常进行退火和调湿处理。
判断
1.根据塑料的成份不同可以分为简单组分和多组分塑料。单组分塑料基本上是树脂为主，加入少量填加剂而成。（√）
2.填充剂是塑料中必不可少的成分。（×）
（4）提高原材料的纯度
第 2 章
填空
1.塑料的主要成份有树脂、填充剂、增塑剂、着色剂、润滑剂、稳定剂。
2.根据塑料成型需要，工业上用成型的塑料有粉料、粒料、溶液和分散体等物料。
3.热固性塑料的工艺性能有：收缩性、流动性、压缩率、水分与挥化物含量、固化特性。
4.热塑性塑料的工艺性能有：收缩性、塑料状态与加工性、粘度性与流动性、吸水性、结晶性、热敏性、应力开裂、熔体破裂。
6.料流方向取决于料流进入型腔的位置，故在型腔一定时影响分子取向方向的因素是浇口位置。
7.牛顿型流体包括粘性流体、粘弹性流体和时间依赖性流体。
8.受温度的影响，低分子化合物存在三种物理状态：固态、液态、气态。
稳定剂：提高树脂在热、光和霉菌等外界因素作用时的稳定性。
润滑剂：改进高聚物的流动性、减少摩擦、降低界面粘附。
着色剂：使塑料制件具有各种颜色。
3.增塑剂的作用是什么？
答：在树脂中加入增塑剂后，加大了分子间的距离，削弱了大分子间的作用力。这样便使树脂分子容易滑移，从而使塑料能在较低温度下具有良好的可塑性和柔软性。增塑剂的加入虽然可以改善塑料的工艺性能和使用性能，但也使树脂的某些性能降低了，如硬度、抗拉强度等。
15.收缩率的影响因素有压力、温度和时间。
16.塑料在一定温度与压力下充满型腔的能力称为流动性。
17.根据塑料的特性和使用要求，塑件需进行后处理，常进行退火和调湿处理。
判断
1.根据塑料的成份不同可以分为简单组分和多组分塑料。单组分塑料基本上是树脂为主，加入少量填加剂而成。（√）
2.填充剂是塑料中必不可少的成分。（×）
（4）提高原材料的纯度
第 2 章
填空
1.塑料的主要成份有树脂、填充剂、增塑剂、着色剂、润滑剂、稳定剂。
2.根据塑料成型需要，工业上用成型的塑料有粉料、粒料、溶液和分散体等物料。
3.热固性塑料的工艺性能有：收缩性、流动性、压缩率、水分与挥化物含量、固化特性。
4.热塑性塑料的工艺性能有：收缩性、塑料状态与加工性、粘度性与流动性、吸水性、结晶性、热敏性、应力开裂、熔体破裂。
化工热力学ppt
0.5 1 (0.48 1.57 0.176 2 )(1 Tr0.5 )
SRK方程的特点：与RK方程相比，大大提高了表达气、 液平衡的准确性，使之用于混合物的气液平衡计算，在工 业上得到广泛应用；但是预测液相的摩尔体积不够准确， 其Zc（等于1/3）与实际流体的临界压缩因子相比，还是 偏大。 （4）Peng-Robinson（PR）方程 为了改善RK与SRK方程的不足，Peng和Robinson又提出 了PR状态方程 形式： RT a p V b V (V b) b(V b)
（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，
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
化工热力学讲义1
ac (Tr )
ac (Tr )
( RTc )2 c a 其中： pc RTc b b pc
RTc c c pc (Tr ) 1 (d1 d2 d3 2 ) (1 Tr1/ 2 )
d1 , d2 , d3 为关联参数
各种形式的立方型状态方程及其求解方法
Virial方程及多项级数展开式类状态方程
对应态原理及其应用 混合规则与混合物状态方程
纯液体的pVT关系及其密度(摩尔体积)的估算方法
重要内容 流体pVT关系可采用两种方式来描述： 图表法；立体图及平面图中的点、线、面的 物理意义及变化趋势。
解析法：如状态方程法与对应状态原理法等。
意为： lim
p 0 (V )
pV RT
理想气体方程的应用
在较低压力和较高温度下可用理想气体方程进行 计算。
为真实气体状态方程计算提供初始值。
判断真实气体状态方程的极限情况的正确程度， p 0 V 当 或 时，任何状态方程都还原为理想 气体方程。
通用型立方型状态方程：
A、B、C为常数，使用时应注意适用的温度范 围和单位。 缺乏蒸汽压数据或蒸汽压方程常数的条件下，也 可以用经验方法估计。如：
B T C
ln p / pc f
S
0
f
1
f f
0
6.09648 0.16934 5.92714 1.28862 ln Tr Tr Tr6
热力学过程与循环
系统从一个平衡状态变化到另一个平衡状态。 等温，等压 等容，等熵 绝热，可逆
热力学循环过程的特征是：
cycle
Mdx 0
第2章 纯物质的p-V-T 关系
ac (Tr )
( RTc )2 c a 其中： pc RTc b b pc
RTc c c pc (Tr ) 1 (d1 d2 d3 2 ) (1 Tr1/ 2 )
d1 , d2 , d3 为关联参数
各种形式的立方型状态方程及其求解方法
Virial方程及多项级数展开式类状态方程
对应态原理及其应用 混合规则与混合物状态方程
纯液体的pVT关系及其密度(摩尔体积)的估算方法
重要内容 流体pVT关系可采用两种方式来描述： 图表法；立体图及平面图中的点、线、面的 物理意义及变化趋势。
解析法：如状态方程法与对应状态原理法等。
意为： lim
p 0 (V )
pV RT
理想气体方程的应用
在较低压力和较高温度下可用理想气体方程进行 计算。
为真实气体状态方程计算提供初始值。
判断真实气体状态方程的极限情况的正确程度， p 0 V 当 或 时，任何状态方程都还原为理想 气体方程。
通用型立方型状态方程：
A、B、C为常数，使用时应注意适用的温度范 围和单位。 缺乏蒸汽压数据或蒸汽压方程常数的条件下，也 可以用经验方法估计。如：
B T C
ln p / pc f
S
0
f
1
f f
0
6.09648 0.16934 5.92714 1.28862 ln Tr Tr Tr6
热力学过程与循环
系统从一个平衡状态变化到另一个平衡状态。 等温，等压 等容，等熵 绝热，可逆
热力学循环过程的特征是：
cycle
Mdx 0
第2章 纯物质的p-V-T 关系
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
第一章 绪论1
17
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
18
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
19
4. 化工热力学在化学工程中的地位
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。
9ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
10
3.1 热力学及其特性
13
3.2 热力学的分支
⑵化学热力学
Chemical Thermodynamics 应用热力学原理研究有关化学的各类平衡
问题，这在物理化学中是一个很重要的组成部 分。离开了热力学原理，许多化学现象就无法 深入探讨下去。化学热力学主要侧重于热力学 函数的计算，主要是H、S、U、F和G的计算。
14
3.2 热力学的分支
3.1 热力学及其特性 3.2 热力学的分支
6
3.1 热力学及其特性
热力学主要是研究热现象和能量转换的。
热力学以宏观体系作为自己的研究对象,就 其内容而言,它涉及到热机的效率,能源的利 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。 ⑴严密性 ⑵完整性 ⑶普遍性 ⑷精简性
基础课： 高等数学、外语、大学物理
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
18
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
19
4. 化工热力学在化学工程中的地位
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。
9ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
10
3.1 热力学及其特性
13
3.2 热力学的分支
⑵化学热力学
Chemical Thermodynamics 应用热力学原理研究有关化学的各类平衡
问题，这在物理化学中是一个很重要的组成部 分。离开了热力学原理，许多化学现象就无法 深入探讨下去。化学热力学主要侧重于热力学 函数的计算，主要是H、S、U、F和G的计算。
14
3.2 热力学的分支
3.1 热力学及其特性 3.2 热力学的分支
6
3.1 热力学及其特性
热力学主要是研究热现象和能量转换的。
热力学以宏观体系作为自己的研究对象,就 其内容而言,它涉及到热机的效率,能源的利 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。 ⑴严密性 ⑵完整性 ⑶普遍性 ⑷精简性
基础课： 高等数学、外语、大学物理
化工热力学-第1章 绪论-36-G概要
28
第一章 绪论
1.6 化工热力学基本概念回顾
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。
2018/10/25
4
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”？
“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
2018/10/25
5
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
热力学(thermodynamics)：热(thermo)+动力(dynamics）
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。
2018/10/25
25
第一章 绪论
1.5 本课程内容及要求
给出 物质 的有 效利 用极 限
第二章流体的PVT关系
（P-V-T，EOS）
（ pyi ˆi v
第五章相平衡
pi si s ri xi）
第三章纯流体的热 力学性质
（EOS+Cp H U S）
第五章化工过程能量 分析
（H，S，W，Ex）
绿色工艺 产品质量好 产品收率高 成本低
20
1.3 化工热力学地位及作用 1.3.2 化工热力学地位 第六级：过程优化
第一章 绪论
1.6 化工热力学基本概念回顾
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。
2018/10/25
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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”？
“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
2018/10/25
5
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
热力学(thermodynamics)：热(thermo)+动力(dynamics）
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。
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第一章 绪论
1.5 本课程内容及要求
给出 物质 的有 效利 用极 限
第二章流体的PVT关系
（P-V-T，EOS）
（ pyi ˆi v
第五章相平衡
pi si s ri xi）
第三章纯流体的热 力学性质
（EOS+Cp H U S）
第五章化工过程能量 分析
（H，S，W，Ex）
绿色工艺 产品质量好 产品收率高 成本低
20
1.3 化工热力学地位及作用 1.3.2 化工热力学地位 第六级：过程优化
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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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。
6
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。
33
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、Fra bibliotek压判据？
H2O ————> H2+O2 ？
常温、常压
N2+ H2 ————> NH3 ？
常温、常压
G 0 ？ G 0 ？
26
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”
第七章 压缩、膨胀、动力循环与制冷循环 （7学时）
13
第一章
绪
论
14
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
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
减排交易
全球CO2排放指标交易行情大幅上涨！
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）
21
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！
22
湿空气作为热力循环的工作介质
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 。
工过程开发、设计和生产的重要理论依据。
31
化工热力学
热力学 化 工 热 力 学
化学
工程学
32
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。
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 ？?
Why ？?
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。
7
Chemical Engineering is a powerful horse that explores and claims new territories
8
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。
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 帮助养活了全世界。
10.生物医学工程 。
5
“生活处处皆化工”
“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
10
热爱你的专业吧！ “Chemical Engineering can do everything!”
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
35
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！
CO2-H2O体系 CO2-NaCl-H2O体系 CO2-NaCl-KCl-H2O体系 CO2-CH4-H2O体系
24
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
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！
23
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
19世纪“蒸汽机”——热转换为功。
27
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。
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。
30
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
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？
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。
6
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。
33
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、Fra bibliotek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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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”
第七章 压缩、膨胀、动力循环与制冷循环 （7学时）
13
第一章
绪
论
14
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
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
减排交易
全球CO2排放指标交易行情大幅上涨！
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）
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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
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 。
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。
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。
7
Chemical Engineering is a powerful horse that explores and claims new territories
8
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。
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 帮助养活了全世界。
10.生物医学工程 。
5
“生活处处皆化工”
“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
10
热爱你的专业吧！ “Chemical Engineering can do everything!”
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！
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
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
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。
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。
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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
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
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Why ？?
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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？