化工热力学第一章课件资料

热机，等做的功。因此
W Ws [( PV )m ]
d (mU ) dt
Q Ws [(U 1 u2 gz )m ] [( PV )m ] 2
Q Ws [(U PV 1 u2 gz )m] 2
因为 H = U + PV，得到
Note: Hin is constant and the subscript i denotes the initial state.
Integration
H in U i n H in U ni
Considering the air as an ideal gas, then n PTi ni PiT
d (mU ) dt
Q Ws [( H 1 u2 gz )m ] 2
d ( mU ) dt
[( H
1 u2 2
gz )m ] Q Ws
这就是敞开体系热力学第一定律的通用形式。
Problem
An insulated, electrically heated tank for hot water contains 190 kg of liquid water at 60 0C when a power outage occurs. If water is withdrawn from the tank at a steady rate of 0.2 kg/s, how long will it take for the temperature of the water in the tank to drop from 60 to 35 0C? Assume that cold water enters the tank at 10 0C, and Cv=Cp=C, independent of T and P. (一个保温很好、容量为190kg 的电热水器将水加热到60 0C 时，突然断电。如果此时电热水器以0.2 kg/s的质量流速放 出热水，问需要多长时间电热水器里面的水由60 0C 降到 35 0C？假设：电热水器进口的冷水温度为10 0C，水的CV = CP = C，与温度无关。)

~ 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

热力学第零定律为建立温度的概念提供了实验基础。根 据第零定律，处于同一热平衡状态的所有体系必定有一宏观 特性是彼此相同的，描述此宏观特性的参数称为温度。可见， 温度是描述体系特性的一个状态函数。
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化工热力学
热力学的分支
第一章 绪 论
⑴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 程热力学主要研究功热转换，以及能量利用率的高低。 ⑵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， 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。 ⑶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 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。
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化工热力学
第一章 绪 论
化工热力学与其他化学工程分支学科的关系
原料
反应
分离提纯
产品
从这一过程可以提出这样几个问题:
反应工程
分离工程
⑴制造原料的获得。 ⑵选择反应工艺条件,设计反应器。
⑶确定分离、提纯方法,设计分离设备。
化工动力学 催化剂工程
化工热力学
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
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化工热力学
第一章 绪 论
未来发 展：
热力学作为科技发展和社会进步的基石从来没有动摇过， 并已逐渐深入到材料、生命、能源、信息、环境等前沿领 域。热力学所处理的对象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 子和离子等，其状态也不局限于常见的汽(气)、液、固三态， 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。

提高产品质量和产量
通过改进热力学过程，可以提高产品的质量和产量，提升企业竞争力。
03
02
01
历史回顾
化工热力学起源于工业革命时期，随着科技的发展和工业的进步，逐渐形成一门独立的学科。
发展趋势
随着环保意识的提高和能源需求的增加，化工热力学将更加注重节能减排、资源循环利用和可再生能源的开发利用。
未来展望
总结词：熵增加
详细描述：热力学第二定律指出，在封闭系统中，自发过程总是向着熵增加的方向进行，即系统总是向着更加混乱无序的状态发展。这个定律对于化工过程具有重要的指导意义，因为它揭示了能量转换和利用的限制，以及不可逆过程的本质。
绝对熵的概念
总结词
热力学第三定律涉及到绝对熵的概念，它指出在绝对零度时，完美晶体的熵为零。这个定律对于化工过程的影响在于，它提供了计算物质在绝对零度时的熵值的方法，这对于分析化学反应的方向和限度具有重要的意义。同时，它也揭示了熵的物理意义，即熵是系统无序度的量度。
总结词
化工过程的能量效率是衡量化工生产经济效益的重要指标，通过提高能量效率，可以降低生产成本并减少环境污染。
能量效率是评价化工过程经济性和环境影响的重要参数。它反映了化工过程中能量转化和利用的效率。提高能量效率意味着减少能源的浪费，降低生产成本，同时减少对环境的负面影响。为了提高能量效率，需要采用先进的工艺技术和设备，加强能源管理，优化操作条件。
《化工热力学》PPT课件
xx年xx月xx日
目 录
CATALOGUE
化工热力学概述热力学基本定律化工过程的能量分析化工过程的热力学分析化工热力学的应用实例
01
化工热力学概述
提高能源利用效率
通过优化化工过程的热力学参数，可以降低能耗，提高能源利用效率。

②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。
二、研究方法 热力学研究方法：分为宏观、微观两种。本书就工程应用而言， 主要介绍的是宏观研究方法。
宏观研究方法特点： ①研究对象：将大量分子组成的体系视为一个整体，研究大量 分子中发生的平均变化，用宏观物理量来描述体系的状态；
②研究方法：采取对大量宏观现象的直接观察与实验，总结出 具有普遍性的规律。
2a
VC3
而：V2p2 T
2RT
Vb3
6a V4
V 2p2TTC V2CRbC T3 V 6C a4 0
2RTC VC b
3
6a
VC4
上两式相除，得：
VC b VC 23
1
b 3 VC
则： a
VC3 2
②图3中高于临界温度Tc的等温线T1、T2，曲线平滑且不与相界线相交， 近似于双曲线，即：PV=常数； 小于临界温度Tc的等温线T3、T4，由三个部分组成，中间水平线表示 汽液平衡共存，压力为常数，等于饱和蒸汽压。
③从图3还可知道：临界等温线（蓝线所示）在临界点处的斜率和 曲率等于零，即：
p 0 V TTC
第二章 流体的P-V-T关系
①P、V、T的可测量性：流体压力P、摩尔体积V和温度T是可以 直接测量的，这是一切研究的前提；
②研究的目的与意义：利用P、V、T数据和热力学基本关系式可 计算不能直接测量的其他性质，如焓H、内能U、熵S和自由能G。
一、p-V-T图
2.1纯物质的P-V-T关系
说明：①曲面以上或以下的空间为不平衡区； ②三维曲面上“固”、“液”和“气（汽）”表示单相区 ； ③“固-液”、“固-汽”和“液-汽”表示两相区；
③超临界流体的特殊性：它的密度接近于液体，但同时具有气体的 “体积可变性”和“传递性质”。所以和气体、液体之间的关系是： 既同又不同，

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

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，

REPORTING
化学反应热效应计算方法
热力学第一定律
能量守恒定律在热力学中的应用，用于计算反 应热效应。
生成焓与反应焓
通过生成焓计算反应焓，进而求得反应热效应。
键能法
利用化学键能数据估算反应热效应。
化学反应方向判据及应用
根据熵变判断反应自发进 行的方向。
利用平衡常数判断反应进 行的方向和程度。
焓、熵和吉布斯自由能概念及应用
焓（H）
系统的热函数，表示系统总能量的变化。
熵（S）
表示系统的无序程度，用于描述不可逆过程 的自发性。
吉布斯自由能（G）
描述系统在特定条件下的最大有用功，用于 判断反应的方向和限度。
应用
用于分析化工过程中的热力学性质、相平衡、 化学反应平衡等问题。
化工过程能量优化方法
热力学第二定律 不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用 的功而不产生其他影响，或不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。
状态方程与状态参数
状态方程
描述系统或它的性质和本质的一系列 数学形式。将系统的物理性质用数学 形式表达出来，即建立该系统各状态 参数间的函数关系。
膜分离过程热力学原 理
利用膜的选择性透过性，实现混合物中 各组分的分离。膜分离过程涉及溶解平 衡、传质等热力学基本原理。
03
吸附过程热力学原理
利用吸附剂对混合物中各组分的选择性 吸附，实现组分的分离。吸附过程涉及 相平衡、传质等热力学基本原理。
THANK平衡和固固平衡简介
固液平衡
固体与液体之间的平衡状态，涉及溶解度、 溶度积等概念。在化工过程中，固液平衡 对于结晶、溶解等操作具有重要意义。
VS

Van der Waals方程
探讨Van der Waals方程对非理想气体的描述和应 用。
二元混合物
混合物的组成
解释二元混合物的组成及其对热力学性质的 影响。
离子交换
研究离子交换对二元混合物中的离子平衡的 影响。
相平衡曲线
介绍二元混合物相平衡曲线在化工热力学中 的重要性。
活度系数
讲解混合物中的活度系数及其在化工热力学 计算中的应用。
相边界
1
液-气相边界
探索液-气相边界及其在化工过程中
固-气相边界
2
的应用。
了解固-气相边界对于固体反应和蒸
馏过程的重要性。
3
液-固相边界
研究液-固相边界对于溶解过程和晶 体生长的影响。
气体相似性定律
波伊尔斯定律
讨论波伊尔斯定律及其在气 体流动和压缩过程中的应用。
查理定律
探索查理定律对气体热膨胀 和压力变化的影响。
熵和焓
1 熵的概念
2 焓的定义
解释熵作为热力学状态函数的概念和性质。
介绍焓的定义及其在化工热力学中的应用。
3 能量转换
4 热力过程。
说明热力学第一法则与焓的关系和在化工 过程中的应用。
状态方程及其应用
状态方程的定义
理想气体状态方程
介绍状态方程在化工热力学中的基本定义和应用。 研究理想气体状态方程及其在化工过程中的应用。
《化工热力学》PPT课件
通过本课件，您将深入了解化工热力学的基本概念和应用。从熵和焓到热力 学计算和催化反应，准备好探索化学工程的热能世界吧！
化工热力学概述
1 基本原理
2 重要性
3 实际应用
介绍化工热力学的基本 原理和主要研究领域。

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