化工热力学(于志家)

随着经济的全球化和高等教育的国际化，我国高等教育要融入世界高等教育平台。“卓越工程师教育培养计划”(简称“卓越计划”)是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010—2020年)》的重大改革，也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措，对全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的意义。伴随着“卓越计划”的启动，高等院校专业课的教学内容、教学要求与方法都应作出必要的调整，以适应新的工程技术人才培养要求，为国家培养出具有国际竞争能力、适应全球工程技术发展、符合国际工程认证标准的卓越工程技术人才。

化工热力学是化学工程的重要分支和基础学科，“化工热力学”课程是化工专业的重要专业基础课。目前国内外《化工热力学》教材多强调热力学理论的阐述与推演，而在热力学原理的工程应用方面显得薄弱。工程技术人员特别需要的是利用化工热力学原理解决化工实际问题的能力与实用的热力学计算方法。根据“卓越计划”的培养方案，本教材在系统介绍化工热力学原理的前提下，强化化工过程实用知识与实用计算方法的阐述，以使学生获取更多的利用热力学原理解决化工生产实际问题的能力。

全书共分10章。内容基于读者已学完物理化学课程的热力学基础进行组织，编排次序注重课程内容更好的衔接。第1章是概述，介绍热力学的发展及复习热力学第一、第二定律；第2章阐述流体的容积性质；第3章介绍流体的热力学性质；化工过程物流中绝大部分都是混合物，故混合物物流的热力学性质尤为重要，本书将此内容系统编排，单设一章，即第4章；第5章阐述溶液热力学基础；第6章阐述流体相平衡，重点阐述了汽液平衡计算，对气液与液液平衡亦作了适当的介绍；第7章为化学反应平衡；第8章为流动系统的热力学分析，介绍典型化工过程的流体输运、功能热转换与计算；第9章阐述流体的动力循环与制冷循环；第10章为化工过程的节能分析。前5章重点阐述化工热力学的基础理论，后5章着重体现了化工热力学理论与化工生产实践的结合。

本书主要作为化工及相关专业本科生教材，也可作为相关工程技术人员的参考书。

本书由大连理工大学于志家、李香琴、兰忠与大连工业大学黄德智共同编著，具体分工为：于志家编写第1、第5、第6章，李香琴编写第2～4章，兰忠编写第8～10章，黄德智编写第7章。全书由于志家统稿。在本书编写过程中得到了张乃文、陈嘉斌、张艳、鲍军江、张宁老师与研究生佟诗宇、姜营营、李群、张凯博、姜睿、徐威、温荣福、郑毅、赵小航、于得旭、王松、程惠远及本科生丛阳、杨筱恬、周昊等在内容、例题、习题、文档处理等方面提供的诸多帮助，得到了大连理工大学教务处、化工与环境生命学部有关领导的大力支持,在此深表谢意。

本书编写过程中参阅了多部国内外同行编著的教材，特向相关作者表示感谢。由于作者水平有限，疏漏与不当之处在所难免,衷心希望读者批评指正。

编著者

2016年6月

《化工热力学》吸取国内外最新教材的精华,参考多数高校执行的48~56学时安排，在系统介绍化工热力学原理的前提下，加强化工过程实用知识与实用计算方法的阐述，以强化学生利用热力学原理解决化工生产实际问题能力的培养。全书共分10章，首先介绍了热力学定律与基本原理、流体的容积性质、流体的热力学性质；将真实气体混合物的热力学性质计算单设一章，以增强实际流股工况计算训练；接着讲述溶液的热力学性质、流体相平衡与化学反应平衡；最后讲述流体流动、压缩、膨胀与节流过程热力学计算，蒸汽动力循环及制冷循环过程与计算，及典型化工过程的热力学分析。书中各章都配有例题与习题。习题设置注意知识点的覆盖，并附有答案。本书可作为高等学校化工及相关专业教材，也可供相关工程技术人员参考。本书配有《化工热力学》（英文版）教材,可供双语教学使用。

于志家，大连理工大学化学工程系老师，长期从事化学工程基础、化工传递、单元操作、多相流动与化工热力学等方面的科学研究与教学。负责完成国家自然科学基金项目2项，辽宁省自然科学基金项目2项，完成企业工程设计等多项，对化工热力学的基础理论及其在相关研究与工程实际中的应用有深层次的理解与心得。主讲本科生《化工热力学》与《化工计算》课程，双语教学，获大连理工大学优秀课程与教学质量优秀奖。

第1章概述1

1.1化工热力学的发展历程1

1.2系统与环境2

1.3化学状态与流体性质2

1.4热力学第一定律3

1.4.1控制质量系统的热力学第一定律4

1.4.2控制体积系统的热力学第一定律4

1.5热力学第二定律8

1.5.1热量向功转化的上限9

1.5.2熵11

1.5.3热力学第二定律的数学表达12

思考题14

习题14

第2章流体的容积性质16

2.1纯物质的p-V-T行为16

2.2流体的状态方程18

2.2.1理想气体状态方程18

2.2.2维里(Virial)方程19

2.2.3立方型方程21

2.3气体的普遍化关联30

2.3.1对应状态原理31

2.3.2普遍化的立方型状态方程31

2.3.3两参数对应状态原理33

2.3.4三参数对应状态原理35

2.3.5普遍化第二维里系数关联式37

2.4液体与似液体通用立方型状态方程的根40

2.5液体普遍化关联42

思考题44

习题45

第3章流体的热力学性质46

3.1均相流体系统的热力学基本关系式46

3.2焓和熵的计算48

3.3剩余性质50

3.4剩余性质的计算52

3.4.1由状态方程求剩余性质52

3.4.2由普遍化压缩因子关系求剩余焓和剩余熵54

3.4.3由普遍化维里系数求剩余焓和剩余熵57

3.5液体焓和熵的计算63

3.6热力学性质图表64

3.6.1TS图65

3.6.2pH图68

3.6.3HS图68

思考题71

习题72

第4章真实气体混合物的热力学性质74

4.1混合规则74

4.2真实气体混合物普遍化压缩因子和摩尔体积的计算76

4.2.1Amagat定律(分体积定律)和普遍化压缩因子图联用76

4.2.2真实气体混合物的状态方程77

4.3真实气体混合物剩余焓和剩余熵的计算83

4.3.1由RK方程计算真实气体混合物的剩余焓和剩余熵83

4.3.2由普遍化第二维里系数计算真实气体混合物的剩余焓和剩余熵83

4.3.3由普遍化关联图计算真实气体混合物的剩余焓和剩余熵85

思考题88习题89

第5章溶液热力学90

5.1敞开系统的热力学关系式与化学势91

5.2偏摩尔性质92

5.3逸度和逸度系数96

5.3.1纯气体的逸度计算97

5.3.2纯液体的逸度计算101

5.3.3溶液中组分的逸度计算103

5.3.4利用Microsoft Excel进行热力学性质计算108

5.4理想溶液与标准态112

5.5过量性质与混合过程中的性质变化114

5.5.1过量性质114

5.5.2混合过程中的性质变化115

5.5.3焓浓图116

5.6活度和活度系数117

5.6.1Wohl型方程120

5.6.2基于局部组成概念的活度系数方程123

5.6.3UNIQUAC和UNIFAC模型125

思考题128

习题129

第6章相平衡131

6.1相平衡的判据131

6.2汽液平衡132

6.2.1低压下的汽液平衡134

6.2.2中压下的汽液平衡142

6.2.3高压下的汽液平衡157

6.3气液平衡159

6.4液液平衡161

6.4.1液液平衡相图161

6.4.2溶液的稳定性162

6.4.3液液平衡计算164

6.5汽液液平衡(VLLE)165

思考题168

习题168

第7章化学反应平衡171

7.1反应坐标172

7.2化学反应平衡判据的应用174

7.3标准Gibbs能的变化及平衡常数175

7.4温度对平衡常数的影响177

7.5平衡常数的估算180

7.6平衡常数与组成的关系182

7.6.1气相反应182

7.6.2液相反应183

7.7单一反应的平衡转化率184

7.7.1均相反应185

7.7.2非均相反应186

7.8反应系统的相律和Duhem定理187

7.9多个反应平衡189

7.10燃料电池195

思考题199

习题199

第8章流动系统的热力学分析200

8.1质量守恒201

8.2能量守恒202

8.3熵衡算205

8.3.1熵的概念205

8.3.2熵的衡算205

8.4热力学方法的过程分析208

8.4.1流体流动过程分析209

8.4.2压缩过程211

8.4.3膨胀过程217

8.4.4节流过程218

思考题222

习题222

第9章热力学循环224

9.1卡诺循环及其逆循环224

9.2朗肯循环和蒸汽动力装置225

9.2.1卡诺热机的改进226

9.2.2朗肯循环的改进230

9.3蒸汽压缩制冷循环233

9.4吸收式制冷循环234

9.5热泵循环236

9.6吸收式热泵237

思考题239

习题239

第10章化工过程的节能分析241

10.1理想功241

10.2损耗功242

10.3典型过程的分析244

10.3.1管内流动过程24410.3.2换热过程244

10.3.3逆流换热和顺流换热245

10.4能量最优原则246

思考题248

习题248

附录250

附录A单位换算系数与通用气体常数250

附录B纯物质的性质250

附录C比热容与物质生成性质253

附录DLee-Kesler普遍化关联表257

附录E水蒸气表272

附录F热力学图301

习题参考答案303

参考文献306

《化工热力学》为卓越工程师教育培养计划系列教材之一；《化工热力学》吸取国内外教材的精华,按照48~56学时设置内容；《化工热力学》系统介绍化工热力学原理，强化化工过程实用知识与实用计算方法；《化工热力学》可帮助读者获得更多的、利用热力学原理解决化工生产实际问题的能力。