化工热力学
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spContent=化工热力学是化学工程的重要分支和基础学科,是应用化学专业的专业基础课,也成为制药工程、环境工程等专业的重要课程。其主要涉及能量及组成的计算,是化工计算及设计的主要依据,是从事化工过程的研究、开发以及设计等方面工作必不可少的重要理论基础,是一门理论性与工程应用性均较强的课程。
—— 课程团队
课程概述

化工热力学是化工类专业基础课。它是运用经典热力学的原理,结合反映系统特征的模型,研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利用,研究各种物理和化学变化过程达到平衡的理论极限、条件和状态。化工热力学的主要研究范畴在于决定设计分离过程、化学反应器所需的相平衡以及化学反应平衡数据、参数和平衡时的状态以及对化工过程进行热力学分析。因而它是化工过程研究、开发与设计的理论基础。




授课目标
通过本课程学习,要求学生:(1)理解化工热力学的基本概念和基本原理;(2)根据所要解决问题的性质,选择和使用计算流体热力学性质的数学模型;(3)计算化工过程的能量变化;(4)计算纯流体和混合物的相平衡和化学反应平衡;(5)了解热力学在化工过程中的主要实际应用。
课程大纲

第一章  绪论

第一节  化式热力学研究的对象及其在化学工程中的应用

第二节  化工热力学的研究方法

教学要求:

1.掌握化工热力学的基本概念;

2.了解化工热力学研究范围和研究方法;

3.了解化工热力学在化学工程中的应用情况。

第二章  流体的pVT关系

第一节  纯物质的p-V-T关系

1.p-T

2.p-V

3.pVT关系

第二节  气体的状态方程

1.理想气体状态方程

2.Virial方程式

3.立方型状态方程式

4.多常数状态方程式

第三节  对比态原理及其应用

1.气体的对比态原理

2.对比状态原理的应用

第四节  真实气体混合物的p-V-T关系——混合规则

1.虚拟临界常数法

2.普遍化压缩因子图

3.混合规则与混合物的状态方程

第五节  液体的p-V-T性质(自学)

教学要求:

1.了解纯物质的p-V-T相图及相图上的重要概念;

2.正确、熟练地应用R-K方程、两项维力方程计算计算单组分气体的p-V-T关系;

3.理解对比态原理,正确、熟练地应用三参数普遍化方法计算单组分气体的P-V-T关系,会用二元插值法求热力学数据;

4.了解计算真实气体混合物p-V-T关系的方法,并会进行计算。

第三章  纯流体的热力学性质

第一节  热力学性质间的关系

1.单相流体系统基本方程式

2.点函数间的数学关系式

3.Maxwell关系式

第二节  单相体系热力学性质的计算

1.应用Maxwell关系式推求个热力学变量,计算原理及方法

2.应用剩余性质的计算气体热力学性质

第三节  两相系统的热力学性质及热力学图表

1.两相系统的热力学性质

2.热力学性质图表

3.热力学性质图的共性

4.热力学图表与普遍化热力学图表的区别

教学要求:

1.了解热力学函数的关系式;

2.学会剩余性质的计算(包括普遍化第二维里系数法、三参数普遍化法);

3.掌握由单相纯物质性质计算两相区纯物质性质的方法;

4.掌握工程上常用热力学图表及使用;

5.学会纯流体的逸度和逸度系数的计算。

第四章  流体混合物的热力学性质

第一节  变组成体系热力学性质间关系式

第二节  化学位和偏摩尔性质

1.偏摩尔性质

2.化学位

3.Gibbs-Duhum方程

第三节  混合物的逸度和逸度系数

1.逸度及逸度系数的定义

2.纯物质的逸度计算

第四节  理想溶液和标准态

1.理想溶液

2.标准态

3.非理想溶液

第五节  混合过程性质变化

1.混合性质变化ΔM

2.混合偏摩尔性质变化

3.ΔM  的关系

第六节  超额性质

1.超额性质ME

2.超额性质变化ΔME

3.超额自由焓GE

第七节  液相活度系数与组成的关联式

1.溶液的模型

2.活度系数的近似计算式

教学要求:

1.正确理解偏摩尔性质、化学位、逸度、混合性质变化、超额性质和标准态等概念;

2.掌握均相流体混合物热力学性质关系式,会使用活度系数关系式;

3.了解由状态方程和混合规则推导混合物中组分逸度系数关系式的过程,学会逸度和逸度系数计算方法。

第五章  相平衡

第一节  相平衡判据与相律

1.物系达到平衡的条件

2.相平衡的判据

3.相律

第二节  汽液平衡的相图

1.二元体系的p-T图及临界区域的相特性

2.二元体系的p--y、T--y、y-x相图形态的类型

第三节  汽液平衡的计算

1.计算的基本公式及计算类型

2.低压下气液平衡的计算

3.中压下气液平衡的计算

第四节  活度系数与组成关系式

教学要求:

1.掌握不同形式的二元汽液相图,了解一般正偏差、一般负偏差和具有共沸点系统的相图特征;

2.掌握汽液平衡关系式及其应用;

    3.熟悉完全互溶体系在中低压下汽液平衡的计算方法,能借助于软件用活度系数法和状态方程法进行汽液平衡计算。

第六章  化工过程的能量分析

第一节  能量平衡方程

1.热力学第一定律的实质

2.能量平衡方程

3.能量平衡方程的应用

第二节  热功间的转换

1.基本概念

2.热功转换与热量传递的方向和限度

3.熵函数与熵增原理

4.熵变的计算

第三节  熵函数

1.熵平衡方程

2.熵产生

3.熵平衡方程的特殊形式

第四节  理想功、损失功及热力学效率

1.理想功

2.损失功

3.应用举例

第五节  有效能及其计算

1.有效能的概念

2.有效能的计算

3.理想功与有效能的区别和联系

4.不可逆性和有效能损失

教学要求:

1.正确理解并熟练应用流动过程热力学第一定律的数学表达式;

2.正确理解并熟练掌握热力学第二定律的数学表达式,了解热功转换的方向和限度;

3.掌握熵变的计算,并运用熵增原理判断实际过程进行的方向和限度;

4.正确理解并熟练掌握理想功和损失功的定义及其应用;

5.掌握稳流过程的㶲、热㶲的计算;

6.正确理解并熟练应用有效能、有效能的衡算及其应用。      

第七章  蒸汽动力循环和制冷循环

第一节  蒸汽动力循环

1.朗肯循环

2.朗肯循环的改进

第二节  制冷循环

1.蒸汽压缩制冷循环

2.吸收制冷循环

第三节  节流膨胀与对外作功的绝热膨胀

教学要求:

1.熟悉计算朗肯循环及提高热效率的措施;

2.掌握将热力学第一定律应用于制冷循环中,进行制冷量、功耗和循环效率的计算,进一步理解合理利用能源的意义和途径;

3.理解节流膨胀及绝热作功膨胀制冷原理。

预备知识

   物理化学(热力学部分),高等数学,化工原理。


证书要求

暂无证书。


参考资料

1.朱自强,徐汛. 化工热力学. 北京:化学工业出版社,1991年

2.陈新志. 化工热力学. 北京:化学工业出版社,2001年

3.张联科. 化工热力学. 北京:化学工业出版社,1980年

4.马沛生,夏淑倩,陈效宁. 化工热力学教程. 北京:高等教育出版社,2011年

5.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年

6.陈新志. 化工热力学习题精解. 北京:科学出版社,2002年


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