Chapter0化工热力学课程介绍

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1、ChemicalEngineeringThermodynamics江成发教授、博士《化工热力学》四川大学化工学院Email:jiangcf1@yahoo.com热力学(thermodynamics)作为一门科学(science)诞生于19世纪，最初用于研究和描述蒸汽机(steamengine)的操作以及蒸汽机工作的极限，后来上升到热机(heatengine)的研究和应用。“热力学”名称的本身就意味着“来自热的能量”，因为thermo代表热，dynamics代表动力。热力学在研究热机工作的基本原理过程中，总结、归纳出了著名的热力学第一定律和热力学第二定律。热力学第一定律和热力学第二定律

2、没有任何数学意义上的证明，它是自然界基本规律的总结，但迄今为止，没有任何人对这二个定律提出异议（除了一些科学狂人），自然界发生的过程或出现的现象也都遵循这二个定律。热力学第一和第二定律奠定了热力学科学的理论基础。从热力学第一和第二定律出发，通过一系列数学推导，建立了一整套的热力学公式，形成了完整的热力学理论体系。这就是我们今天所认识的热力学。伴随热力学科学的形成和发展，产生了一批著名的数学家和化学家，其中，贡献最大的是美国数学家JosiahWillardGibbs。JosiahWillardGibbs(1839-1903)JosiahWillardGibbs(1839-1903)ha

3、sbeenreckonedasoneofthegreatestAmericanscientistsofthe19thcentury.HeprovidedasoundthermodynamicfoundationtomuchofPhysicalChemistry.“Gibbs’PhaseRule”iswellknowntoallinthefieldtoday.Yaleeducated,hewasawardedthefirstDoctorofEngineeringintheU.S.,andwasappointedProfessorofMathematicalPhysicsatYalein

4、1871.In1873hepublishedhisfirstmajorworks,"GraphicalMethodsintheThermodynamicsofFluids".In1876camehismostfamouspaper:"OntheEquilibriumofHeterogeneousSubstances."一、为什么学《化工热力学》？化工热力学与化学工程的关系化学工程学科大致可分为两大领域，即化学反应和产物分离。化工工程师通常要面对两个问题，一是如何设计一个化学反应路线合成所需要的产品，二是如何设计一个分离装置将目的产物（aimedproduct）从化学反应体系中分离出来

5、。化工热力学提供解决这两个问题所需要的理论知识。在化学反应领域，化工工程师通常要解决以下的问题：用来合成目的产物的化学反应是否热力学可行？是否动力学可行？热力学可行主要指该反应能否发生，如果能发生，目的产物的产量（theyieldoftheaimedproduct）是否可观。《化工热力学》课程中的热力学第一、第二定律以及化学反应平衡(chemicalreactionequilibrium)理论就是用来解决化学反应是否热力学可行的问题。在产物分离领域，迄今为止，常见的分离过程有精馏(distillation)，萃取(extraction)，结晶（crystallization），吸附（

6、adsorption）等。化工工程师要会进行这些分离过程以及分离装置的设计和计算。而所有分离过程都与相平衡（phaseequilibrium）有关，分离过程的设计和计算必须以相平衡理论为基础。比如，精馏塔的塔高计算就是根据汽-液相平衡的研究结果完成的。另外，化工工程师还需要计算一个化工或物理过程需要的热和功。化工热力学提供了计算实际化工或物理过程需要的热和功的方法（化工过程能量分析）。化学平衡和相平衡理论是《化工热力学》的重要内容。化工热力学在化学工程中两个新的应用领域一是应用化工热力学知识研究新兴工业中不常见的混合物的相平衡规律，比如与生物大分子的分离系统有关的相平衡；二是应用化

7、工热力学知识指导新产品的开发，比如控制药物释放的大分子的合成、具有优异力学性能的高分子合金的设计等。化工热力学面临的问题化工热力学面临的最大问题：理论研究多,实际应用少。美国UniversityofCalifornia,Berkeley的Prausnitz教授是近代化工热力学领域最著名的一位学者，下面引用他在论文“ThermodynamicsandOtherChemicalEngineeringSciences:OldModelsforNewChemica