化工热力学
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课程评价
spContent=化工热力学课程是化工学科的基础课,是分离工程、化工设计等课程的基础。天津大学的3名教授、2名副教授组成了强大的教学团队,全面解读课程的原理、概念、模型,通过典型应用分析化工热力学在工程中的应用。相信你在享受热力学逻辑美的同时,又能深刻体会其强大的应用功能。
—— 课程团队
课程概述

化工热力学课程是化学工程领域重要的学科分支,是化学工程与工艺专业及相关专业(如:分子科学与工程专业、过程装备与控制工程专业)的专业基础课。在该课程中,不仅要学习化工热力学的基本原理、概念、模型等知识,而且需要学会结合化工原理、数学等相关知识处理化学工程体系中有关能量计算和物质平衡计算的问题。总之,该课程是化工过程和装置开发、研究、设计的理论基础和计算必备工具,是化学反应工程、分离工程、化工设计、化工安全、化学工艺学等课程的基础。

本课程的目的是使学生能够掌握,并利用化工热力学的原理和模型对化工中涉及到的体系相行为、化学反应行为、能量转换等进行分析研究,利用物系的热力学性质和其它化工物性进行关联和计算。

授课目标

1. 掌握与化工过程中流体热力学性质相关的基本概念和理论,熟练掌握化工热力学基本定律,化工过程中热力学性质间的基本关系和计算模型。

2. 能够应用热力学函数关系、流体平衡理论和模型、热力学基本定律等知识对化工过程中的能量计算、物质平衡计算等工程问题进行识别、分析和表达,并获得有效结论。

3. 能够根据化学工艺要求,结合流体pVT关系、流体平衡模型和理论,提出化工过程管道、换热设备、塔设备等设计方案,并能在设计环节中体现创新意识,考虑社会、健康、安全以及环境等因素。

4. 能够针对化工实验结果数据,选择合适的热力学理论和模型进行分析和解释,获得有效结论。

        5. 能够根据系统设计需求,进行团队合作,撰写实验和设计方案,能够清晰的进行陈述发言表达自己的设计思想,与他人进行沟通和交流。

课程大纲

知识单元:绪论、流体的P-V-T关系

1周:绪论及流体的pvt关系

教学内容:化工热力学学科的发展、化工热力学课程内容、化工热力学课程的学习方法、纯物质P-V-T定性关系、理想气体状态方程、维里型方程、立方型状态方程

教学要求:了解化工热力学课程的基本内容、学习要求、掌握纯物质p-T图、p-V图、p-T图的基本特征,清晰理解临界性质、临界等温线;掌握维里方程的特点,能应用二阶舍项维里方程进行pvt计算,掌握立方型状态方程的基本特点、求解过程

 

2周:流体的P-V-T关系

教学内容: 对比态原理及应用、普遍化状态方程、真实流体混合物的P-V-T关系、液体的P-V-T关系

教学要求:掌握对应状态原理的基本理论,并会使用压缩因子图、普遍化状态方程进行流体P-V-T计算,掌握常用P-V-T关系式的混合规则并将其用于真实混合气体的P-V-T计算,了解多参数状态方程,了解液体P-V-T的经验方程

 

知识单元:纯流体的热力学性质

第三周:热力学基本关系、理想气体焓变与熵变

教学内容:热力学性质间的关系(含热力学基本方程、Maxwell关系式、热容的关系)、理想气体焓变和熵变的计算、剩余性质概念

教学要求:掌握热力学函数UHSAG等与体系的温度、压力、体积的关系,包括热力学基本方程、Maxwell关系式等,并掌握重要热力学函数的推导。掌握理想气体焓变和熵变的计算方法、理解剩余性质的概念

 

第四周:真实流体焓变和熵变计算、热力学性质图表

教学内容:剩余焓和剩余熵的计算、真实流体焓变和熵变的计算、蒸发焓的计算、热力学性质图、水蒸气表

教学要求:掌握剩余焓和剩余熵与P-V-T的关系,熟练掌握真实流体焓变和熵变的计算,掌握蒸气压、蒸发焓的计算,学会用流体的T-S图及lgP-H图分析一个过程的热力学性质变化,学会使用水蒸气表分析动力循环等过程的能量利用情况。

 

知识单元:热力学基本定律及其应用

5周: 热力学第一定律和热力学第二定律

教学内容:热力学第一定律的概念,稳流体系热力学第一定律的表达式及其在各种化工过程中的简化形式,热力学第二定律的表达式。理想功损失功的计算,如何通过热力学第一定律和第二定律指导我们合理用能。

教学要求:掌握稳流体系的热力学第一定律的表达式,并能针对各种化工工程对热力学第一定律进行简化,掌握热力学第二定律的不等式表达式和等式表达式,理解熵的概念,能根据Clausius不等式推出热力学第二定律的不等式表达式,了解根据熵的计算来总结出热力学第二定律方法,知道损失功与热力学第二定律关系,理解合理用能的基本原则。

6周: 气体压缩和膨胀,制冷循环和热泵循环

教学内容:气体压缩设备的种类,单级往复式压缩机的工作过程,三种压缩过程对应的热力学性质的变化和功耗的大小,有余隙的气体压缩的特点,多级压缩过程的特点。气体的三种膨胀过程的特点及在T-S图上的表示方法,理想的制冷循环,蒸汽压缩制冷循环,吸收式制冷循环,热泵及热泵精馏。

教学要求:知道气体压缩设备的种类,掌握单级往复式压缩机的工作过程及在T-S图上的表示,三种压缩过程对应的热力学性质的变化情况和功耗的相对大小,了解有余隙的气体压缩过程的特点,掌握多级压缩的特点,知道减小气体压缩功耗可采用的措施。掌握理想制冷循环和蒸汽压缩制冷循环的热力学计算和在T-S图上表示方法,了解吸收式制冷循环、热泵和热泵精馏的工作原理,了解常用制冷剂和载冷剂种类。

 

知识单元:均相流体混合物的热力学性质

7周:变组成系统的热力学关系、偏摩尔性质

教学内容:理想混合物与非理想混合物、变组成混合物的热力学性质、偏摩尔性质、Gibbs-Duhem方程、混合过程热力学性质的变化、超额性质

教学要求:理解理想混合物与非理想混合物的产生根源,掌握偏摩尔性质的计算和Gibbs-Duhem方程,掌握化学位的计算及变组成系统的热力学关系式、会计算混合过程热力学性质的变化和混合物的超额性质。

8周:逸度和活度

教学内容:逸度和逸度系数、混合物的逸度与其组元逸度的关系、逸度系数的计算、活度和活度系数、活度系数方程

教学要求:理解逸度的定义及逸度与活度的关系,会利用状态方程计算逸度系数,掌握Lewis-Randall规则,了解理想混合物和非理想混合物逸度系数的关系,掌握活度系数的计算方法和活度系数模型的选择,会选择活度系数的基准态,用超额Gibbs自由能与组成的关系推导活度系数计算式。


 

知识单元:相平衡

9周:流体相平衡基础、汽液平衡基本表达式与泡露点计算

教学内容:流体相平衡判据、体系自由度确定、汽液平衡的两种表达式及简化、中低压下泡露点计算途径要点和方法

教学要求:掌握各种相平衡的判断依据;能够准确计算各种体系各种情况下的体系自由度;熟悉热力学对于汽液平衡的数学描述,可以自主依据具体情况进行化简;能够结合已学习过的知识,描述泡露点计算路径和方法。

 

10周:K值法和低压下的汽液平衡计算、闪蒸及其计算、高压汽液平衡以及液液平衡基础

教学内容:K值法和低压下的汽液平衡计算、闪蒸的热力学模型的简历及其计算、高压汽液平衡相图、液液平衡基本表达式、相图和二元液液平衡计算

教学要求:可以独立完成K值法计算烃类系统的汽液平衡;明确相对挥发度的概念和调变手段;熟练低压下汽液平衡计算;掌握闪蒸的热力学模型建立,能够进行求解和工艺参数的筛选;熟练读图高压汽液平衡相图p-x-y图、T-x-y图和y-x图,能自主分析逆向现象的发生原因和条件;掌握混合物临界点的定义与特点掌握液液平衡的基本关系式,明确其中各项所代表的含义,能够进行简单的二元液液平衡的计算;熟练读图二元和三元液液平衡相图。

预备知识

物理化学(上册)相关热力学基本概念:热力学基本函数的定义、体系-环境、广度性质-强度性质、理想气体行为、理想溶液性质、相平衡基本概念

证书要求
  1. 完成所有课程的学习;

  2. 完成课程视频中的测试题(20分);

  3. 完成至少5次主观题作业(8-10次作业);(完成1、2、3即可获得证书)(40分);

  4. 至少在课程讨论中回复不少于10次(10分);

  5. 完成至少1次分享报告;分享报告可以在线或离线进行。可以是PPT文件,也可以是专门录制的视频,或者在线进行分享(30分)。


优秀学员要求:

   5.1 分享报告得分(采用大众评分)为前20%的学员,可以免做3中的所有作业,并可直接获得优秀学员证书。所有分享报告资料必须公开分享;

   5.2 完成1、2、3、4中的作业,并且总分超过85分可以获得优秀学员证书;

   5.3 其它对课程有特殊贡献的学员,可以获得10-20分的加分,包括推广课程、积极帮助其他学员,以及积极帮助改进课程的学员。

   5.4 总优秀率不超过35%

参考资料

教材:化工热力学(通用型)第二版(十一五规划教材),马沛生、李永红主编,化学工业出版社,2009

参考书:

1. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 6th Edition, Smith J.M., Van Ness H. C., Abbott M.M., McGraw-Hill, Inc., 2001.

2. Chemical and Engineering Thermodynamics, 3rd Edition, Sandler, S. I., John Wiley & Sons, Inc., NY (1999)

3. 陈钟秀,顾飞燕等编,《化工热力学》,化学工业出版社,2001

4. 陈新志,蔡振云,胡望明编,《化工热力学》,科学出版社,2001

5. 冯新等编,《化工热力学》,化工出版社,2009年

6. Molecular thermodynamics of fluid-phase equilibria, Prausnitz, J M,Rudiger N L, de Azevedo E D, N.J. Prentice,  Hall PTR, c1999.

7. 马沛生,《化工数据》,北京,中国石化出版社