化工热力学第一章绪论.ppt
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1、南阳理工学院南阳理工学院 生化学院生化学院 化工热力学化工热力学 第一章第一章 绪绪 论论课程目的和要求课程目的和要求明确化工热力学研究的对象,掌握热力学研究与处理明确化工热力学研究的对象,掌握热力学研究与处理问题的方法,认识其在化学工程学科中的重要地位及其问题的方法,认识其在化学工程学科中的重要地位及其在化工生产中的应用。在化工生产中的应用。要求学生在要求学生在物理化学物理化学、高等数学等、高等数学等课程的学习基课程的学习基础上,深入理解与掌握热力学状态函数与过程函数、状础上,深入理解与掌握热力学状态函数与过程函数、状态函数与全微分的密切关系,容量性质与强度性质,平态函数与全微分的密切关系,
2、容量性质与强度性质,平衡状态与可逆过程,热力学过程与循环等基本概念与内衡状态与可逆过程,热力学过程与循环等基本概念与内容。容。第第1 1章章 绪绪 论论南阳理工学院南阳理工学院 生化学院生化学院 化工热力学化工热力学 第一章第一章 绪绪 论论1.11.1化工热力学的地位和作用化工热力学的地位和作用 化工热力学:化工热力学:化工热力学:化工热力学:化工学科的重要分支和基础学科化工学科的重要分支和基础学科化工学科的重要分支和基础学科化工学科的重要分支和基础学科 化学工程与工艺专业:专业基础技术课程、化学工程与工艺专业:专业基础技术课程、化学工程与工艺专业:专业基础技术课程、化学工程与工艺专业:专业
3、基础技术课程、必修课和核心课程必修课和核心课程必修课和核心课程必修课和核心课程(60(60(60(60学时、学时、学时、学时、3 3 3 3学分学分学分学分)先修课:先修课:先修课:先修课:高等数学高等数学高等数学高等数学、无机化学、有机化学、分析、无机化学、有机化学、分析、无机化学、有机化学、分析、无机化学、有机化学、分析 化学、化学、化学、化学、物理化学、化工原理物理化学、化工原理物理化学、化工原理物理化学、化工原理等。等。等。等。基基 础:热力学第一定律、热力学第二定律和热础:热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律力学第三定律南阳理工学院南阳理工学院 生化学院生化学院 化工热力学
4、化工热力学 第一章第一章 绪绪 论论 热力学已逐渐深入到材料、生命、能源、信息、环境热力学已逐渐深入到材料、生命、能源、信息、环境等前沿领域。等前沿领域。热力学所处理的对象热力学所处理的对象不单单是一般的无机、有机分子不单单是一般的无机、有机分子,还包含有链状大分子、蛋白质分子、双亲分子、电解质分还包含有链状大分子、蛋白质分子、双亲分子、电解质分子和离子等,其状态也不局限于常见的汽子和离子等,其状态也不局限于常见的汽(气气)、液、固三、液、固三态,还涉及高温高压、临界和超临界、微孔中的吸附态、态,还涉及高温高压、临界和超临界、微孔中的吸附态、液晶态、微多相态等,这一切都对化工热力学提出了新的液
5、晶态、微多相态等,这一切都对化工热力学提出了新的要求,并向着连续热力学,带反应的热力学,高压与临界要求,并向着连续热力学,带反应的热力学,高压与临界现象,界面现象,电解质溶液,膜过程,高分子系统,生现象,界面现象,电解质溶液,膜过程,高分子系统,生物大分子,不可逆过程热力学,分子热力学,分子模拟等物大分子,不可逆过程热力学,分子热力学,分子模拟等复杂系统发展。复杂系统发展。未来发未来发 展:展:南阳理工学院南阳理工学院 生化学院生化学院 化工热力学化工热力学 第一章第一章 绪绪 论论 所谓热力学主要是研究所谓热力学主要是研究热现象和能量转换热现象和能量转换的。已广泛的。已广泛的用于研究的用于研
6、究各种能量各种能量之间的关系,热力学从远古时期发展之间的关系,热力学从远古时期发展至今,可称它为一门至今,可称它为一门“完善完善”的科学,这主要表现在它具的科学,这主要表现在它具有四大特性:有四大特性:严密性严密性 完整性完整性 普遍性普遍性 精简性精简性热力学及其特性热力学及其特性南阳理工学院南阳理工学院 生化学院生化学院 化工热力学化工热力学 第一章第一章 绪绪 论论严密性: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,在实际当事情,在实际当中才能够行的通;热力学证
7、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。中无论采用什么措施,也实施不了。完整性:完整性:是由于热力学具有热力学第一定律(能量守恒定律)、第二定是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)、第三定律(绝对熵定律)和律(熵增原理)、第三定律(绝对熵定律)和第零定律第零定律(热平衡定律)(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。这四大定律使热力学成为一门逻辑性强而完整的科学。普遍性: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
8、,还能够解决日常生活中律、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。象俄罗斯研究出来的宇宙伞,其中用的问题,甚至用于宇宙问题的研究。象俄罗斯研究出来的宇宙伞,其中用到了许多热力学的理论、观点和方法。到了许多热力学的理论、观点和方法。精简性:精简性:表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题。特别是后者表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题。特别是后者(定量),这是目前有些课程所无法比拟的。(定量),这是目前有些课程所无法比拟的。热力学的四大特性使得热力学成为一门热力学的四大特性使得热力学成为一门“完善完善”的学科,而其它学科的学科,而其它学科就
9、相形见拙了。热力学发展至今,有就相形见拙了。热力学发展至今,有工程热力学、化学热力学、化工热力工程热力学、化学热力学、化工热力学和统计热力学学和统计热力学。南阳理工学院南阳理工学院 生化学院生化学院 化工热力学化工热力学 第一章第一章 绪绪 论论工程热力学工程热力学:十九世纪蒸汽机的发明和相应的科学形成了工程热力学,工十九世纪蒸汽机的发明和相应的科学形成了工程热力学,工程热力学主要研究功热转换,以及能量利用率的高低。程热力学主要研究功热转换,以及能量利用率的高低。化学热力学:化学热力学:化学热力学是应用热力学原理研究有关化学的各类平衡问题,化学热力学是应用热力学原理研究有关化学的各类平衡问题,
10、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 和和G 的计算。的计算。化工热力学:化工热力学: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与化学反应方向与限度等
11、问题。际之间质量传递与化学反应方向与限度等问题。不管是工程热力学、化学热力学还是化工热力学,它们都属于不管是工程热力学、化学热力学还是化工热力学,它们都属于经典热力学经典热力学。经典热力学的局限性在于只考察体系的宏观性质,而不过问体系的微观行为。经典热力学的局限性在于只考察体系的宏观性质,而不过问体系的微观行为。统计热力学的成就可以弥补这方面的不足。统计热力学的成就可以弥补这方面的不足。统计热力学:统计热力学:统计热力学是年轻的、刚刚起步的学科,它从微观角度出发,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例如采用配分
12、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。实际结果还有一段距离,还需要进一步去完善。热力学的分支热力学的分支南阳理工学院南阳理工学院 生化学院生化学院 化工热力学化工热力学 第一章第一章 绪绪 论论 热力学已逐渐深入到材料、生命、能源、信息、环境热力学已逐渐深入到材料、生命、能源、信息、环境等前沿领域。等前沿领域。热力学所处理的对象热力学所处理的对象不单单是一般的无机、有机分子不单单是一般的无机、有机分子,还包含有链状大分子、蛋白质分子、双亲分子、电解质分还包含有链状大分子、蛋白质分子、双亲分子、电解质分子和离子等,其状态也不局限于常见的汽
13、子和离子等,其状态也不局限于常见的汽(气气)、液、固三、液、固三态,还涉及高温高压、临界和超临界、微孔中的吸附态、态,还涉及高温高压、临界和超临界、微孔中的吸附态、液晶态、微多相态等,这一切都对化工热力学提出了新的液晶态、微多相态等,这一切都对化工热力学提出了新的要求,并向着连续热力学,带反应的热力学,高压与临界要求,并向着连续热力学,带反应的热力学,高压与临界现象,界面现象,电解质溶液,膜过程,高分子系统,生现象,界面现象,电解质溶液,膜过程,高分子系统,生物大分子,不可逆过程热力学,分子热力学,分子模拟等物大分子,不可逆过程热力学,分子热力学,分子模拟等复杂系统发展。复杂系统发展。热力学未
14、来发热力学未来发 展:展:南阳理工学院南阳理工学院 生化学院生化学院 化工热力学化工热力学 第一章第一章 绪绪 论论化工热力学发展简史化工热力学发展简史 1944 1944 年年B BF FDodgeDodge 写出了篇幅较大的写出了篇幅较大的 化工热化工热力学力学 教科书后,几十年来,国内外这方面的研究不断教科书后,几十年来,国内外这方面的研究不断深入,教学工作也颇有成效,不但是大学生的必修课程,深入,教学工作也颇有成效,不但是大学生的必修课程,而且研究生也需学习。可以说,化工热力学已成化学工而且研究生也需学习。可以说,化工热力学已成化学工程学的主要分支学科之一。尽管热力学是一门比较古老程学
15、的主要分支学科之一。尽管热力学是一门比较古老的学科,但是在化学工业中的应用还在继续扩大,在有的学科,但是在化学工业中的应用还在继续扩大,在有关期刊中仍有许多文献发表。关期刊中仍有许多文献发表。南阳理工学院南阳理工学院 生化学院生化学院 化工热力学化工热力学 第一章第一章 绪绪 论论化工热力学与其他化学工程分支学科的关系化工热力学与其他化学工程分支学科的关系从这一过程可以提出这样几个问题从这一过程可以提出这样几个问题:制造原料的获得。制造原料的获得。选择反应工艺条件选择反应工艺条件,设计反应器。设计反应器。确定分离、提纯方法确定分离、提纯方法,设计分离设备。设计分离设备。从以上分析来看:生产问题
16、和过程发展的综合性强,影响因素多,决不能从以上分析来看:生产问题和过程发展的综合性强,影响因素多,决不能期待用一个学科、一种方法去解决,而要依赖于各个学科、各种技术相互配合、期待用一个学科、一种方法去解决,而要依赖于各个学科、各种技术相互配合、相互渗透,用综合分析的方法去认识它、解决它。化工热力学是分离工程的基相互渗透,用综合分析的方法去认识它、解决它。化工热力学是分离工程的基础,而化工过程的分离提纯又基于分离工程。化工热力学是这一发展过程中的础,而化工过程的分离提纯又基于分离工程。化工热力学是这一发展过程中的一个组成学科,是一门非常重要的专业基础技术课。一个组成学科,是一门非常重要的专业基础
17、技术课。针对这几个问题,就要考虑解决它的针对这几个问题,就要考虑解决它的办法,原则上为这样的解决途径,我们可办法,原则上为这样的解决途径,我们可用方块图来表示。用方块图来表示。南阳理工学院南阳理工学院 生化学院生化学院 化工热力学化工热力学 第一章第一章 绪绪 论论化工模拟系统设备模型化三传和反应工程化学反应平衡计算导热系数计算表面张力计算相平衡计算反应速度计算热量平衡计算物料平衡计算粘度计算密度计算传质计算传热计算焓的计算熵平衡计算与分析流体力学计算吸收系统模拟反应器计算吸收塔计算蒸馏系统模拟蒸馏塔计算反应系统模拟换热器计算全流程的最优化设计和控制物性学和热力学化工热力学第一级 物性常数和热
18、力 学性质计算第六级 过程发展第五级 流程配置第四级 设备计算第三级“三传一反”第二级 平衡计算图图1-1 1-1 化工热力学在化学工程学科中的作用和地位关系图化工热力学在化学工程学科中的作用和地位关系图南阳理工学院南阳理工学院 生化学院生化学院 化工热力学化工热力学 第一章第一章 绪绪 论论 化工热力学是讨论热力学在化工生产中的应用。化工热力学是讨论热力学在化工生产中的应用。化工热力学的基本内容化工热力学的基本内容(1)进行过程的能量衡算)进行过程的能量衡算 物料衡算物料衡算与建立在热力学第一定律基础上的与建立在热力学第一定律基础上的能量衡算能量衡算是是所有化工工艺设计的基础。他可以解决:所
19、有化工工艺设计的基础。他可以解决:进、出设备每股物料的数量、组成、温度、压力,从进、出设备每股物料的数量、组成、温度、压力,从而求得设备中的传热量、传质量或反应量。而求得设备中的传热量、传质量或反应量。确定生产过程中所需设备的尺寸和台数(如换热面积确定生产过程中所需设备的尺寸和台数(如换热面积等)。等)。在设计方案评比、操作条件分析、工艺设备改进时,在设计方案评比、操作条件分析、工艺设备改进时,常以物料、热量衡算结果为依据。常以物料、热量衡算结果为依据。1.2 1.2 化工热力学研究内容与主要方法化工热力学研究内容与主要方法 南阳理工学院南阳理工学院 生化学院生化学院 化工热力学化工热力学 第
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