化工热力学教案纸.doc

泰山学院材料与化学工程系教案专用纸 1.绪 论 引言 在这一章中，要清楚化工热力学的范畴和任务。通过这一章的学习要搞清楚热力学的发展和分支，《化工热力学》的包含有哪些内容，对解决生产实际、工程设计和科学研究有什么作用；学习化工热力学的目的、要求和措施。 1.1化工热力学发展历史 热现象是人类最早接触到的自然现象之一。相传远古时代的燧人氏钻木取火，用现代科学的语言来说，就是由机械功转化为内能。十二、十三世纪就记载有走马灯和使用火药燃烧向后喷气来加速火箭的飞行，可以说是现代燃气轮机和火箭等喷气推进机的始祖。人类对热的认识逐步形成一间科学却是近三百年来的事。随着蒸气机的发明和使用，人们为了提高蒸汽机的效率和创造性能更好的热机，对它们的工作规律进行广泛的研究。到了十九世纪中，把生产实践和实验结果提到理论的高度，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效率的热力学的第二定律。主要由这两个定律在逻辑上和数学上的发展，形成了物理学中的热力学部份。它除了为分析、研究，创造各种新型热机提供理论基础外，还广泛地渗透到其他学科中去，例如热力学理论和化学现象相结合，形成了所谓化学热力学。 生产上蒸汽机的发明和相应的科学研究建立了热力学的基本定律；热力学本身的发展，又回过来帮助新型热机的创建。通过专门研究和分析，使人们对各种热机中的压缩，燃烧、膨胀、冷却、传热等过程、再热循环、往复循环等有了更清晰的了解，这在热机的设计和创新方面起了决定性的作用。在学科上形成了工程热力学。广而言之，热力学是一门研究能量及其转换的科学，它能预言物质状态变化的趋势并研究伴有热效应体系的平衡。由于既要解决化学问题，又要解决工程问题，所以化工热力学实际上是集化学热力学和工程热力学的大成。 1.2 热力学的分支 （1）工程热力学:Engineering Thermodynamics 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。 （2）化学热力学：Chemical Thermodynamics 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，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。 （3）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。统计热力学的成就可以弥补这方面的不足。 （4）统计热力学：Statistical Thermodynamics 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。但其结果与实际结果还有一段距离，还需进一步完善。 1.3化工热力学在化学工程中的地位 一个简单的化工过程大致分为这样几个过程: 原料 → 反应 → 分离提纯 → 产品 ↓ ↙ ↓ ↓ 工艺学 反应工程 分离工程 ↓ ↓ 化工动力学 化工 催化工程 热力学 ↘ ↙ 工艺学 要完成一个简单的化工过程可分为如下几个步骤： （1）制造原料的获得。 （2）选择反应工艺条件,设计反应器。 （3）确定分离、提纯方法,设计分离设备。 针对这几个问题，就要考虑解决它的办法，可用方块图来表示。 从图示可以看到化工热力学是化学工程的一种基础，犹如房屋建筑一样，他是第一层和第二层的砖块，没有他，是不能有高层建筑发展的。应该本着这样的理解和要求来学习化工热力学。 1.4 化工热力学的基本内容 化工热力学是讨论热力学在化工生产中的应用。化工过程中所需的热和功的计算，化学反应、相际物质传递的方向与限度的判定，化工过程能量的有效利用等都属于化工热力学已经的范畴。 （1）进行过程的能量衡算 物料衡算与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。他可以解决： ①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。 ②确定生产过程中所需设备的尺寸和台数（如换热面积等）。 ③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。 （2）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（、等）是判定过程进行方向与限度、确定平衡状