传递过程与非平衡态热力学.pptVIP

传递过程和非平衡态热力学 引言 各种化工生产过程都是由化学反应与若干个物理操作过程串联而成。 1915年，化学工程的先驱A. D. Little在向麻省理工学院提交的一份报告中写道：“……任何化学过程，不论是什么样的规律，总可以分解为一系列互相类同的被称作“单元操作（Unit Operation）的组成部分，如破碎、混合、加热、吸收、沉淀、结晶、过滤等等。这些基本单元操作的数目并不多，对于一个特定的加工过程，可能只包括它们之中的某几个。要使化学工程师们能广博地适应职业的需要所应具备的能力，只能是对实际规模上所进行的过程做出分析并将其分成多个单元操作来获得……” 引言 1922年，在美国的化学工程师年会上，单元操作的概念被法定认可。次年，麻省理工学院的著名教授W. H. Walker等人写成第一部关于单元操作的书，名为《 Principles of Chemical Engineering》（《化工原理》）。 引言 根据单元操作的基本规律，可将操作单元划分为三类： 遵循流体力学基本规律的操作单元，包括流体输送、沉降、过滤、固体流态化等； 遵循传热基本规律的操作单元，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等； 遵循传质基本规律的操作单元，包括蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等。因为这些操作的最终目的是将混合物分离，故又称之为传质分离操作。 单元操作中抽象提炼出的共性科学规律不仅可以帮助理解已有单元操作的过程细节，还可以指导人们认识新的技术单元的基本规律。 引言 流体流动是一种动量传递现象，所以遵循流体力学基本规律的诸操作单元，都可以用动量传递理论去研究，其余两大类的单元操作则可分别用热量传递理论与质量传递理论进行研究。 三种传递现象在许多过程中同时发生，并且存在类似的规律。这使得原来本是分立学科的流体力学（动量传递）、传热学与传质学合而为一，构成一个新的基础学科成为必要。 1960年，威斯康星大学的Bird等人为了加强学生工程科学基础的训练，把三种传递过程的内容组织在一起写成了《Transport Phenomena》（传递现象）一书，Bird等人在前言中写道：“当前的工科教育愈来愈倾向于着重基本物理原理的理解，而不是盲目地套用经验结论。”这一思想始终贯穿于传递课程之中。 引言 对于很多重要化学反应，需要设计工业反应装置的结构，确定并控制最佳操作条件，模拟放大生产过程。 对于反应器中进行的化学反应，除了要考虑分子反应的化学机理、反应速率，还必须注意参加反应物料的质量、热量和动量传递过程。 传递过程的方法逐步与具有化学反应的工艺结合，在此交叉领域中再经归类和归纳，形成一门新的分支化工学科：化学反应工程。 引言 化学工程学学科发展到了“三传一反”的较完整阶段，人们可以从物理角度去理解并利用数学手段来定量描述众多松散的化工过程。 20世纪60年代末，由于计算机的迅速发展与普及，使人们对化工单元的研究扩展到化工生产过程的系统优化设计、操作以及控制。运筹学与优化理论的结合并用于化工过程，形成了“化工系统工程学”，同时发展了“过程动态学与控制论”。这些学科，都是以“三传一反”对化工过程的数学描述作为基础的。 引言 化学工程技术的核心：“三传一反” ——动量传递、热量传递、质量传递和化学反应 传递过程与不可逆过程的关系 热的传递：ΔT 质量的传递：Δμ 动量的传递：Δp 引言 引言 热力学从平衡态向非平衡态的发展 平衡态热力学的四大定律 热力学温度T、压力p、熵S……等等，在平衡态时才有明确意义。 由平衡态热力学得到的结论，至今未发现与实践相违背的事实。（经典热力学，可靠！） 然而，自然界发生的一切实际过程都是处在非平衡态下进行的不可逆过程。 引言 eg. 各种输运过程，诸如热传导、物质扩散、动电现象（electrokinetic phenomenon，电泳、电渗、流动电位与沉降电位等）、电极过程以及实际进行的化学反应过程等，随着时间的推移，系统均不断地改变其状态，并且总是自发地从非平衡态趋向于平衡态。 对这些实际发生的不可逆过程的深入研究，促进了热力学从平衡态向非平衡态的发展。 普里高津(I. Prigogine)、昂萨格(L. Onsager)对非平衡态热力学(或称不可逆过程热力学)的建立和发展作出了杰出贡献，从20世纪50年代开始形成了热力学的新领域，即非平衡态热力学 (thermodynamics of no-equilibrium state)。普里高津因此而荣获1977年诺贝尔化学奖。 引言 伊利亚·普里高津（Ilya Prigogine，1917.1.25.-2003.5.28.） 引言 拉斯· 昂萨格（Lars Onsager，1903.11.27－1976.10.5） 引言 非平衡态热力学虽然在理论系统上还不