化工热力学教学大纲

《化工热力学》教学大纲

一、课程简介

课程名称：化工热力学

课程编号：01C0263

开课院系：化学工程系

总学时：48

课程类型：学科基础课，必修

先修课程：基础化学、物理化学

课程简介：

化工热力学是化学工程学的一个重要分支，是化工类专业必修的专业基础课程。它是化工过程研究、开发与设计的理论基础，是一门理论性与应用性均较强的课程。该门课系统地介绍了将热力学原理应用于化学工程技术领域的研究方法。它以热力学第一、第二定律为基础，研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利用，深刻阐述了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。

设置本课程，为了使考生能够掌握化工热力学的基本概念、理论和专业知识；能利用化工热力学的原理和模型对化工中涉及到的化学反应平衡原理、相平衡原理等进行分析和研究；能利用化工热力学的方法对化工中涉及的物系的热力学性质和其它化工物性进行关联和推算；并学会利用化工热力学的基本理论对化工中能量进行分析等。

Name of Course:Chemical Engineering Thermodynamics

Course Code: 01C0263

School: chemical engineering department

Credit Hours: 48

Required of Elective: Required

Prerequisite:Essential Chemistry、Physical Chemistry

Introduction:

Chemical thermodynamics is one important branch of chemical engineering, and it is preliminary course for chemical engineering. It is the basic theory of researching, developing and design of chemical engineering process. This course is high of theorie s and applications. This course systematically introduces the research method about a dopting the thermodynamic theory to chemical engineering area. Based on the first an

d second law of thermodynamics, this cours

e studies the interchange and effective util ization o

f energy in chemical engineerin

g process, elaborates the theoretical limitation , condition and status of equilibrium in physical and chemical reaction.

The purpose of this course is to equip the candidate with the basic concepts, theories a nd knowledge of thermodynamics. Through this course students are capable to analyz e and study the chemical reaction, phase equilibrium involved in chemical engineerin g with the theory and model of chemical thermodynamics; correlate and predict therm al properties and other chemical properties using thermodynamic method; analyze ene rgy in chemical engineering by thermodynamic theories.

Through this course, students know the principal definitions, theories, and basic calcul ation method about thermodynamic. Students will be cultivated the ability of analyzin g and solving practical problems by thermodynamic methods.

二、课程教学大纲

1. 课程编号：01C0263 6. 先修课程：基础化学、物理化学

2. 课程类别：学科基础课，必修7. 课内总学时：48

3. 开课学期：大学三年级第一学期8. 实验/上机学时：0

4. 适用专业：化学工程与工艺9. 执笔人：

5.考核方式：考试

1．课程教学目的

化工热力学的任务是通过课程教学，使学生掌握流体的热力学性质概念，掌握流体热力学性质，的计算及其应用，掌握溶液的性质，会用溶液理论及状态方程计算各种流体相平衡，并以状态方程、流体热力学性质、液相活度系数及流体相平衡计算为重点内容，为化工过程的设计打下牢固的基础。

2．教学基本要求

1．正确理解化工热力学的有关基本概念和理论；

2．理解各个概念之间的联系和应用；

3．掌握化工热力学的基本计算方法；

4．能理论联系实际，灵活分析和解决实际化工生产和设计中的有关问题。

第一章绪论

了解：化工热力学的主要内容

理解：“化工热力学”与“物理化学”的主要区别

掌握：化工热力学的研究方法有经典热力学方法和分子热力学方法。

第二章流体的p-V-T关系

了解：

（1）维里方程的几种形式

（2）维里系数的物理意义

（3）多参数状态方程

（4）Lydersen 三参数压缩因子图

（5）液体的PVT关系

理解：

（1）RK方程的迭代形式及应用

（2）对比态原理

（3）气体混合物的虚拟临界参数

掌握：

（1）偏心因子

（2）三参数压缩因子图

（3）Pitzer 普遍化压缩因子图

（4）普遍化第二维里系数

（5）液体的纯经验的PVT关系

（6）Kay规则

重难点：

（1）立方型状态方程的普遍特点及计算

（2）三参数压缩因子图

（3）气体混合物的第二维里系数及应用

（4）R-K方程的混合规则

第三章纯流体的热力学性质

通过本章学习，掌握各热力学性质间的关系，进而学会计算一个实际过程的焓变和熵变，并学会一些热力学性质图表的应用。

了解：

（1）Helmholtz方程

（2）敞开系统热力学基本方程

（3）Maxwell关系式

（4）理想气体焓变和熵变计算（次重点）

（5）理想气体焓和熵随温度、压力的变化关系式

理解：

（1）封闭系统热力学基本方程

（2）麦克斯韦关系式的用途

（3）剩余性质的概念（重点）

（4）利用维里方程计算剩余性质

掌握：

（1）剩余焓、剩余熵与P、V、T的关系式

（2）对于一个实际过程，设计焓变和熵变的计算途径

（3）利用状态方程计算焓变和熵变（重点）

(4) 利用R-K方程计算剩余性质

（5）利用普遍化关联式计算焓变和熵变（重点）

（6）利用普遍化第二维里系数计算剩余焓和剩余熵

（7）利用Pitzer三参数焓熵图计算剩余焓和剩余熵

（8）蒸发焓与蒸发熵（重点）

（9）T-S图的形状和构成

（10）T-S图的制作及使用：

（11）水蒸气表的构成及使用

第四章均相混合物热力学性质

通过本章学习，能理解流体混合物的相关热力学性质，正确理解和使用混合物中组元的逸度与活度的概念，为相平衡的计算打下基础。

了解：

（1）变组成系统的热力学基本方程

（2）偏摩尔量的定义及提出的意义

（3）理想混合物的定义

（4）理想混合物的相关热力学性质

（5）逸度与逸度系数的概念（重点）

（6）逸度系数与PVT的关系式

（7）活度的定义

（8）活度系数

（9）正规混合物的概念及方程适用条件

（10）无热混合物的概念及方程适用条件

（11）半经验型活度系数方程（重点）

理解：

（1）化学势（位）的概念

（2）混合性质的概念（重点）

（3）混合性质与偏摩尔量的关系

（4）理想溶液及其标准态（重点）

（5）利用R-K方程计算纯物质的逸度系数

（6）利用普遍化的第二维里系数计算逸度系数（7）利用三参数普遍化逸度系数图计算逸度系数（8）温度对逸度的影响

（9）压力对逸度的影响

（11）活度系数标准态的选择

（12）超额性质的定义

（13）局部组成的概念

（14）基团贡献法

掌握：

（1）偏摩尔量的计算（重点）

（2）作图法计算偏摩尔量

（3）二元截距法计算偏摩尔量

（4）吉布斯—杜亥姆方程（重点）

（5）混合体积变化和混合焓变的计算

（6）纯液体逸度的计算式

（7）Margulas方程的应用及适用条件

（8）Van Laar方程的应用及适用条件

（9）基于局部组成的活度系数方程（重点）（10）Wilson 方程

（11）NRTL方程

第五章相平衡

通过本章学习，能学会应用化工热力学的知识处理汽液平衡计算（主要是泡、露点的计算），并能处理一些简单的液液平衡问题。

了解：

（1）平衡判据（重点）

（2）相对挥发度

（3）相平衡常数

（4）泡、露点的概念

（5）汽液平衡相图的类型、构成等

（6）高压汽液平衡相图的特点

（7）“逆向”现象

（8）汽液平衡一致性校验的依据（重点）

（9）液液平衡判据（重点）

（10）各种二元及三元的液液平衡相图

（11）汽液液平衡

（12）气液平衡

（13）固液平衡

理解：

（1）相平衡的五个判据

（2）相律（重点）

（3）高压汽液平衡的几个基本关系式

（4）高压相平衡计算（次重点）

（5）二元液液平衡计算的基本关系式及简单计算

（6）三元液液平衡的计算（次重点）

（7）三元液液平衡计算的基本关系式

掌握：

（1）低压下汽液平衡的表达式及计算

（2）中低压下泡、露点计算（重点）

（3）K值法（重点）

（4）状态方程法计算高压汽液平衡

（5）活度系数法计算高压汽液平衡

（6）K值法计算高压汽液平衡

第六章化工过程能量分析

通过本章学习，能够了解热力学分析中的基本概念及基本方法，会应用热力学第一定律等分析实际问题。

了解：

（1）稳流系统的热力学第一定律

（2）熵与熵增原理

（3）理想功的概念及定义

（4）损失功的概念

（5）热力学效率（重点）

理解：

（1）可逆轴功

（2）实际轴功

（3）熵产生

（4）熵流

（5）能级

（6）热力学死态及有效能的概念

（7）有效能与理想功的关系

掌握：

（1）稳流系统的热力学第一定律的表达式及简化形式

（2）轴功的计算

（3）热量衡算

（4）熵平衡方程式

（5）物理有效能的概念

（6）化学有效能的概念

（7）有效能平衡方程式及有效能分析（重点）

第七章压缩、膨胀、动力循环与制冷循环

通过本章学习，了解基本的冷冻循环及深度冷冻循环，并能运用热力学性质图表进行简单的冷冻计算。

了解：

（1）制冷循环的原理（重点）

（2）逆卡诺循环制冷的循环过程

（3）吸收式制冷循环（次重点）

（4）吸收式制冷的循环途径与实现制冷的原理（5）制冷工质的选择（次重点）

（6）深度制冷的概念（次重点）

（7）深度制冷的概念及用途

（8）林德循环的过程及实现深度制冷的原理（9）克劳特循环的过程及实现深度制冷的原理理解：

（1）制冷能力、制冷系数等概念

（2）蒸汽压缩制冷循环（重点）

（3）蒸汽压缩制冷循环的途径与实现制冷的原理掌握：

应用热力学性质图表计算制冷问题

第八章物性数据的估算

第九章环境热力学

3．课程教学内容与学时

第一章绪论（1学时）

1.1 热力学发展简史

1.2 化工热力学的主要研究内容

1.3 化工热力学的研究方法及其发展

1.4 化工热力学在化工中的重要性

第二章流体的p-V-T关系（7学时）

2.1 纯物质的p –V –T关系

2.2 气体的状态方程

2.2.1理想气体状态

2.2.2 维里方程

2.2.3 立方型状态方程

2.2.4 多参数状态方程

2.3 对应态原理及其应用

2.3.1 对比态原理

2.3.2 三参数对应态原理

2.3.3 普遍化状态方程

2.4 真实气体混合物的p-V-T关系

2.4.1 混合规则

2.4.2气体混合物的虚拟临界性质

2.4.2 气体混合的第二维里系数

2.4.3 混合物的状态方程

2.5液体的p –V -T关系

2.5.1 饱和液体体积

2.5.2 压缩液体（过冷液体）体积

2.5.3 液体混合物的p –V -T关系

第三章纯流体的热力学性质（9学时）

3.1 热力学性质间的关系

3.1.1 热力学基本方程

3.1.2 Maxwell关系式

3.2焓变与熵变的计算

3.2.1 热容

3.2.2 理想气体的H、S、随T、p的变化

3.2.3 真实气体的H、S随T、p的变化

3.2.4 真实气体的焓变、熵变的计算

3.2.5 蒸发焓与蒸发熵

3.3 纯物质两相系统的热力学性质及热力学图表3.3.1 两相系统的热力学性质

3.3.2 热力学性质图表

第四章均相混合物热力学性质（11学时）

4.1变组成系统的热力学关系

4.2 偏摩尔性质

4.2.1 偏摩尔性质的引入及定义

4.2.2 偏摩尔性质的热力学关系

4.2.3 偏摩尔性质的计算

4.2.4 Gibbs-Duhm方程

4.3 混合过程性质变化

4.3.1 混合过程性质变化

4.3.2 混合过程的焓变化

4.4 逸度和逸度系数

4.4.1 逸度和逸度系数的定义

4.4.2 混合物的逸度与其组元逸度之间的关系4.4.3 温度和压力对逸度的影响

4.4.4 逸度和逸度系数的计算

4.4.5 液体的逸度

4.5 理想混合物

4.5.1 理想混合物的提出

4.5.2 理想混合物的混合性质变化

4.6 活度和活度系数

4.6.1 活度和活度系数

4.6.2 活度系数标准态的选择

4.6.3 超额性质

4.7 活度系数模型

4.7.1 正规溶液模型

4.7.2 Whol型方程

4.7.3 Redlish-Kister经验式

4.7.4 无热溶液模型

4.7.5 局部组成型方程

第五章相平衡（10学时）

5.1 相平衡基础

5.1.1 平衡判据

5.1.2 相律

5.2 互溶系统的汽液平衡关系式

5.2.1 状态方程法

5.2.2 活度系数法

5.2.3 方法比较

5.3 中低压下汽液平衡

5.3.1中低压下二元汽液平衡相图

5.3.2中低压下泡点、露点计算

5.3.3 低压下汽液平衡的计算

5.3.2 烃类的K值法和闪蒸计算

5.4 高压下汽液平衡

5.4.1 高压下汽液平衡相图

5.4.2 高压下汽液平衡计算

5.5 汽液平衡热力学一致性检验

5.5.1 积分检验法（面积检验法）

5.5.2 微分检验法（点检验法）

5.6 平衡与稳定性

5.7 其他类型的相平衡

5.7.1 液液平衡

5.7.2 汽液液平衡

5.7.3 气液平衡

5.7.4 固液平衡

5.7.5 汽固平衡和超临界流体在固体（或液体）中的溶解度第六章化工过程能量分析（2学时）

6.1 热力学第一定律－能量转化与守恒方程

6.1.1 能量的种类

6.1.2 热力学第一定律－能量守恒的基本式

6.1.3 封闭系统的热力学第一定律

6.1.4 稳流系统的热力学第一定律及其应用

6.2 热力学第二定律

6.2.1 熵与熵增原理

6.2.2 熵产生和熵平衡

6.2.3 热机与能量品位

6.3 理想功、损失功和热力学效率

6.3.1 理想功

6.3.2 损失功

6.3.3 热力学效率

6.4 有效能

6.4.1 有效能定义

6.4.2 稳流过程有效能计算

6.4.3 不可逆过程的有效能损失

6.4.4 有效能效率

6.4 化工过程能量分析及合理用能

第七章压缩、膨胀、动力循环与制冷循环（2学时）

7.1 气体的压缩

7.2 膨胀过程

7.2.1 节流膨胀

7.2.2 绝热作功膨胀

7.3 蒸汽动力循环

7.3.1 Rankine循环及其热效率

7.3.2 蒸汽参数对热效率的影响

7.3.3 Rankine循环的改进

7.4 制冷循环

7.4.1 理想制冷循环

7.4.2 蒸汽压缩制冷循环

7.4.3 吸收式制冷循环

7.4.4 喷射式制冷循环

7.4.5 热泵及其应用

7.4.6 深冷循环与气体液化

7.5 制冷剂的选择

第八章物性数据的估算（4学时）

第九章环境热力学（2学时）

4．教材与参考书

建议教材：《化工热力学》（通用型），马沛生，化学工业出版社

参考书：

(1)、“化工热力学”第二版，朱自强，徐汛合编，化学工业出版社

(2)、“流体相平衡原理及其应用”，朱自强，姚善泾，浙江大学出版设

(3)、“Chemical Engineering Thermodynamics”,Smith,J.M. and Van Ness,4 th .ed.Mc Graw-Hill,New York

(4)、《化工热力学》，童景山主编，清华大学出版社

(5)、S.I. Sandler, Chemical and Engineering Thermodynamics

5．作业

教材每章后面习题与思考题，由教师指定具体题号。课堂上教师对每次作业要进行讲评。

6．说明

为了加强工程计算技术和能力的培养，在课程教学布置平时作业中，应注意要求学生通过计算机编程计算或应用一些专用软件如ORIGIN、MARHCAD、MATLAB 等进行计算并完成作业，提高学生应用计算机解决实际问题的能力。

为了在有的学时内增加与学科有关的新内容，拓宽学生的知识面，教学手段的改革势在必行，拟采用多媒体教学新技术提高教学效率，为培养新型人才创造条件。

为了鼓励学生自学兴趣和创造思维能力，考试方式将进行必要的改革，以小论文和小组讨论以及课外兴趣小组活动成果作为部分考试成绩，培养学生的开拓能力。

课程评分类型为百分制。各部分成绩所占的比例：平时成绩20%、期末考试80%。考试方式为闭卷（或半开卷）考试。