化工热力学第一章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,教学内容,第一章 绪论,第二章,流体的,P-V-T,关系,第三章 纯流体的热力学性质,第四章 流体混合物的热力学性质,第五章 化工过程的能量分析,第七章 相平衡,第十章 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,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,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。,1.,热力学（,Thermodynamics,）,第一章 绪论,-,化工热力学概念,2.,热力学的分支,（,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,-,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。,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,产品,原料,反应,分离提纯,工艺学,反应工程,分离工程,化工动力学,催化工程,化工热力学,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,-,化工热力学的基本内容,四大部分内容,热力学基本定律,热力学微分方程,热力学状态函数,相平衡,化学反应平衡,过程热力学分析,热力学基础数据,P,V,T,，,C,p,，,C,v,实际部分,理论部分,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。,V,如：已知,T,P,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,PV=,Z,RT,剩余性质,M,R,=M-M,*,=,实际的,-,理想的,(,气体）,超额性质,M,E,=M-M,id,=,实际的,-,理想的（液体）,修正项：,Z,，,M,R,，,M,E,第一章 绪论,-,学习目的和要求,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。,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,着重于基本概念的理解，对重要的公式加以推导。,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,（,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 u,2,(J),。,第一章 绪论,-,热力学基本概念与定律,能量的形式,（,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,mg,Z,(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。,第一章 绪论,-,热力学基本定律,(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,n,i,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。,第一章 绪论,-,热力学基本概念及定律,热力学基本概念,(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,第一章 绪论,-,热力学基本概念及定律,1,1,2,2,Z,1,Z,2,W,S,Q,敞开体系,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,E,1,，,E,2,，系统中积累的能量为,E,，则,E,1,E,2,Q,W,E (1),单位质量带入带出的能量有：,内能：,U,1,，,U,2,；位能：,gz,1,，,gz,2,动能：,u,1,2,/2,，,u,2,2,/2,热力学第一定律,-,能量守恒定律,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,将各已知项代入（,1,）,整理,(2),第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第一定律,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=W,S,+p,1,V,1,-p,2,V,2,(3),得到：,(5),第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第一定律,(4),根据焓的定义,H,=,U,+,pV,式（,2,）、（,4,）、（,5,）都是热力学第一定律的一般方程式。,第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第一定律,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：,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：,(6),第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第一定律,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,(8),或,(7),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，,W,S,=0,；流体进出口动能、位能可忽略，则式（,8,）变为,说明对于稳定流动过程热衡计算时，如果,W,S,=0,，则可以利用系统的焓变确定过程的热量,Q,。,(9),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,如果设备散热很慢，则,Q=0,。,(10),(11),可以利用焓变计算设备轴功。,第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第一定律应用,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,(12),说明系统动能的增加，等于其焓值的减少。,第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第一定律应用,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,C,p,=1.005J,kg K,-1,。求,100,kg,空气从换热器吸收的热量。,(8),第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第一定律应用,将空气当成理想气体，,PV=RT,则,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,-,热力学基本定律,热力学第一定律应用,例,2,：空气通过水平喷管，终速达到,335m,s,-1,，若忽略其初速，试问空气的温度降为多少？假设空气是理想气体，其,C,p,=1.005J,kg K,-1,。,空气在水平管中流动，,z,=0,，流速很快，热量来不及传递，,Q=0,，流动过程中不作轴功，,Ws=0,。,第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第一定律应用,若忽略初速，则,热力学第二定律,第一章 绪论,-,热力学基本定律,以循环过程方式表达,开尔文,(Kelvin)“,不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功，而不产生其它影响”。“第二永动机是无法实现,的,”,。,1,热力学第二定律,第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第二定律,以热流方式表达,克劳修斯（,Clausius,）“热不能自发地由低温物体传到高温物体”。,说明不可逆过程有一个明确的方向。,不可逆,可逆,热力学第二定律应用,第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第二定律应用,例,3,：一个重,40kg,的铸钢件，温度,723K,，浸入,150kg,、,298K,的油中进行淬火。若没有热量损失，试求（,a,）铸钢件的熵变；（,b,）油的熵变；（,c,）铸钢件与油的总熵变。已知,C,p,钢,=0.5J,g,-1,K,-1,。,C,p,油,=2.5J,g,-1,K,-1,。,设油的终温为,T,。利用油与铸钢件的能量衡算得,400.5,（,T-723,）,+1502.5,（,T-298,）,=0,T=319 K,第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第二定律应用,（,a,）铸钢件熵变,（,b,）油熵变,（,c,）总熵变,S,总,=9.8kJ,K,-1,0,第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第二定律应用,例,4,：稳定流动的氮气通过绝热管上安装的阀门。如果氮气的温度为,298K,，阀门部分开启，阀门下游的压力是,110,5,Pa,，试求（,1,）阀门上游压力为,210,5,Pa,时，下游温度及过程总熵变；（,2,）阀门上游压力为,610,5,Pa,时，下游温度及过程总熵变,。,压力不高可视为理想气体。根据稳定流动过程热力学第一定律，忽略动能、位能变化,因为,Q=0,、,Ws=0,，则,H=0,第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第二定律应用,流体流经部分开启的阀门为等焓过程。,（,a,）理想气体，焓只是温度的函数，故,T,仍为,298K,因为流过绝热管，故,S,环境,=0,S,总,=,5.76J,mol,-1,K,-1,第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第二定律应用,流体流经部分开启的阀门为等焓过程。,S,环境,=0,（,b,）下游温度仍然是,298K,S,总,=,14.9J,mol,-1,K,-1,0,第一章 绪论,-,热力学基本定律,热力学第二定律应用,例,5,：欲设计一热机，从温度为,400 K,处吸收,25 kJ,s,-1,热量，在温度为,200 K,出放出,12,kJs,-1,的热量，并提供,15kW,的机械功。试问所定指标能否实现。,根据热力学第一定律，热机完成一个循环,U=0 W=Q,1,-Q,2,=13 kJ,s,-1,(,不符合第一定律,),(,不符合第二定律,),