化工热力学课程.ppt

化工热力学 教材：马沛生,李永红，国家“十一五”教材 天津大学化工学院 课上学时：48学时 第一章 绪 论 本章主要内容 简要发展史 化工热力学的主要内容 化工热力学研究方法及其发展 化工热力学的重要性 热力学发展史 热力学的研究是从人类对热的认识开始的。 1593年，伽利略制出了第一支温度计，使热学研究开始定量。带动了与物质热性质有关的研究，如相变温度（熔点、沸点等）、相变热、热膨胀等。 直到1784年，有了比热的概念，才从概念上把“温度”与“热”区分开。 热的学说 热质说：认为热是一种无重量的物质。 热动说：热不是一种物质，而是一种运动形态，即热是由物体内部运动激发起来的一种能量。 18世纪末至19世纪中叶多人分别用实验证明热动说。 热力学基本定律 热力学第一定律 热力学第二定律 热力学第三定律 1913年Nernst补充了关于绝对零度的定律，称为热力学第三定律 热力学第零定律 1931年Fouler补充了关于温度定义的定律 1824年，法国陆军工程师Nicholas Léonard Sadi Carnot发表了 “ 关于火的动力研究” 的论文。 他通过对自己构想的理想热机的分析得出结论：热机必须在两个热源之间工作，理想热机的效率只取决与两个热源的温度，工作在两个一定热源之间的所有热机，其效率都超不过可逆热机，热机在理想状态下也不可能达到百分之百。这就是卡诺定理。（热功当量） Carnot(1796 - 1832) 1847年， 德国物理学家和生物学家 Hermann Ludwig von Helmholtz 发表了 “ 论力的守衡” 一文，全面论证了能量守恒和转化定律。 Helmholtz(1821 - 1894) 1843-1848年， 英国酿酒商 James Prescott Joule (1818 - 1889) 以确凿无疑的定量实验结果为基础，论述了能量守恒和转化定律。焦耳的热功当量实验是热力学第一定律的实验基础。 Joule (1818 - 1889) 热力学第一定律 从十八世纪末到十九世纪初开始，蒸汽机的发明及使用范围扩大，从工业应用上提出了热与功转换问题。如何充分利用热能来推动机器作功成为重要的研究课题。 1738年Bernolli（伯努利）的机械能守恒定律提出了第一个能量守恒的实例。阐述了能量相互转化及守恒的思想。 1824年出现了第一个热功当量（卡诺） 1847年， Helmholtz 全面论证了能量守衡和转化定律。 Joule（焦耳）反复测定了热功当量。 多位科学家独立地提出了热力学第一定律，该定律也彻底否定了热质说。 根据热力学第一定律热功可以按当量转化，而根据卡诺原理热却不能全部变为功，当时不少人认为二者之间存在着根本性的矛盾。1850年，德国物理学家Rudolf J. Clausius 进一步研究热力学第一定律和卡诺原理，发现二者并不矛盾。他指出，热不可能独自地、不付任何代价地从冷物体转向热物体，并将这个结论称为热力学第二定律。 Clausius在1854年给出了热力学第二定律的数学表达式， 1865年提出“熵”的概念。 Clausius (1822 - 1888) 1851年，英国物理学家 Lord Kelvin (1824-l907)指出，不可能从单一热源取热使之完全变为有用功而不产生其他影响。 这是热力学第二定律的另一种说法。 1853年，他把能量转化与物系的内能联系起来，给出了热力学第二定律的数学表达式。 “热力学”课程的发展 “热力学”（Thermodynamic） 既由热产生动力，反映了热力学起源于对热机的研究。本身就是把热与力结合起来的，这也说明时代需要研究机械运动、热、电等各种现象的普遍联系及其定量规律 。 从热力学发展的初期，所讨论的只是热、机械能和功之间的互换规律，对热机效率的提高有很好的指导作用，也促进了工业革命的发展。 1875年，美国耶鲁大学数学物理学教授 Josiah Willard Gibbs发表了 “论多相物质之平衡” 的论文。他在熵函数的基础上，引出了平衡的判据；提出热力学势的重要概念，用以处理多组分的多相平衡问题；导出相律，得到一般条件下多相平衡的规律。吉布斯的工作，把热力学和化学在理论上紧密结合起来，奠定了化学热力学的重要基础。 Gibbs (1839 - 1903) 一般热力学与机械工程结合 讨论能量转换规律，并结合锅炉、蒸汽机、汽轮机、喷管、压缩机、冷冻机等得出