描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787122322524
化工热力学是化学工程与工艺专业重要的必修课程之一，也是一门非常抽象、枯燥和难于理解的课程。为了使学生能真正体会到化工热力学的美丽和智慧，《化工热力学》（第二版）精细打造，在内容和形式上均有推陈出新之举，令人耳目一新。
《化工热力学》（第二版）中列举大量 “从生活中来到生产中去” 的鲜活实例，尽可能用直观生动的图像替代抽象的语言。
《化工热力学》（第二版）中插入大量图片与重点提示，使得教材生动活泼、重点突出、易于理解，具有时代气息。
《化工热力学》（第二版）采用化工设计公司提供的宝贵工程案例，真题真做，让学生充分理解热力学模型对化工生产质量与经济效益的重要性。
《化工热力学》（第二版）面向普通高等院校化学工程与工艺、制药、材料、环境工程及其他相关专业本科学生。
化工热力学是化学工程与工艺专业*重要的必修课程之一,也是一门非常抽象、枯燥和难以理解的课程。为了使学生能真正体会到化工热力学的美丽和智慧所带来的快乐,《化工热力学》(第二版)无论从内容还是形式上均有推陈出新之举,令人耳目一新。书中列举大量“从生活中来、到生产中去”的鲜活实例;尽可能用直观生动的图像替代抽象的语言;插入重点提示,使得本书生动活泼、重点突出、易于理解,同时具有时代气息。此外,《化工热力学》(第二版)采用化工设计公司宝贵的工程案例真题真做,让学生充分理解热力学模型对化工生产质量与经济效益的重要性。
《化工热力学》(第二版)内容包括:绪论、流体的p-V-T关系和状态方程、纯流体的热力学性质计算、溶液热力学性质的计算、相平衡、化工过程能量分析、蒸汽动力循环与制冷循环,共七章。本书可作为化工及相关专业的高等学校教材,也可供有关科研和工程技术人员参考。
第1章 绪论/ 1
1.1 化工热力学的范畴 / 1
1.2 化工热力学在化工中的重要性 / 2
1.3 化工热力学的任务和主要研究内容 / 3
1.4 化工热力学处理问题的方法 / 5
1.5 如何学好本课程——写给同学们 / 6
习题 / 7
第2章 流体的p-V-T 关系和状态方程/ 8
2.1 纯流体的p-V-T 关系 / 9
2.1.1 T-V 图 / 9
2.1.2 p-V 图 / 10
2.1.3 p-T 图 / 12
2.1.4 p-V-T 图 / 12
2.1.5 流体p-V-T 关系的应用及思考 / 14
知识拓展——气体液化的历史 / 14
2.2 流体的状态方程 / 17
2.2.1 理想气体状态方程 / 18
2.2.2 气体的非理想性 / 18
2.2.3 立方型状态方程 / 19
2.2.4 virial (维里) 方程 / 27
*2.2.5 多参数状态方程 / 28
2.3 对应态原理和普遍化关联式 / 28
2.3.1 对应态原理 / 29
2.3.2 两参数对应态原理 / 29
2.3.3 三参数对应态原理 / 29
2.3.4 普遍化压缩因子图法 / 30
2.3.5 普遍化第二virial系数法 / 32
2.4 液体p-V-T 关系 / 35
2.4.1 饱和液体摩尔体积VsL / 36
2.4.2 液体摩尔体积 / 37
2.5 真实气体混合物的p-V-T 关系 / 37
2.5.1 混合规则 / 37
2.5.2 虚拟临界参数法和Kay规则 / 38
2.5.3 气体混合物的第二virial系数 / 39
2.5.4 气体混合物的立方型状态方程 / 40
2.6 状态方程的比较、选用和应用 / 45
2.6.1 状态方程的比较和选用 / 45
2.6.2 状态方程的应用 / 46
知识拓展——SAFT状态方程 / 47
创新的轨迹——状态方程—低温技术—超导—磁悬浮列车之间的关系 / 47
本章小结 / 48
本章符号说明 / 49
习题 / 49
第3章 纯流体的热力学性质计算/ 52
3.1 预备知识——点函数间的数学关系 / 53
3.1.1 基本关系式 / 53
3.1.2 变量关系式 / 54
3.2 热力学性质间的关系 / 54
3.2.1 热力学基本方程 / 54
3.2.2 Maxwell关系式 / 55
3.2.3 热力学基本关系式、偏导数关系式和Maxwell方程的意义 / 56
3.2.4 热容 / 56
3.3 热力学性质H、S、G 的计算关系式 / 56
3.3.1 H、S 随T、p 的变化关系式 / 57
3.3.2 G 随T、p 的变化关系式 / 58
3.3.3 理想气体的H、S 计算关系式 / 60
3.3.4 真实气体的H、S 计算关系式 / 61
3.4 剩余性质 / 62
3.4.1 剩余焓HR 和剩余熵SR / 62
3.4.2 剩余焓HR 和剩余熵SR 的计算方法 / 63
3.5 真实气体的焓变和熵变的计算 / 70
3.6 真实气体热容的普遍式 / 72
3.7 流体的饱和热力学性质 / 75
3.8 纯流体的热力学性质图和表 / 76
3.8.1 水蒸气表 / 76
3.8.2 热力学性质图的类型 / 78
3.8.3 热力学性质图的应用 / 80
本章小结 / 82
本章符号说明 / 84
习题 / 85
第4章 溶液热力学性质的计算/ 87
4.1 均相敞开系统的热力学基本关系与化学位 / 88
4.1.1 均相敞开系统的热力学基本关系 / 88
4.1.2 化学位 / 89
4.2 偏摩尔性质 / 90
4.2.1 偏摩尔性质的引入及定义 / 90
4.2.2 偏摩尔性质与溶液性质的关系 / 92
4.2.3 偏摩尔性质之间的关系 / 93
4.2.4 偏摩尔性质的计算 / 93
4.2.5 偏摩尔性质间的依赖关系Gibbs-Duhem 方程
/ 98
4.3 混合变量 / 100
4.3.1 混合变量的定义 / 100
4.3.2 混合体积变化 / 101
4.3.3 混合焓变 / 102
4.3.4 焓浓图及其应用 / 103
4.4 逸度和逸度系数 / 104
4.4.1 纯物质逸度和逸度系数的定义 / 105
4.4.2 纯物质逸度系数的计算 / 105
4.4.3 混合物的逸度fm 及其逸度系数φm 的定义 / 110
4.4.4 混合物逸度系数φm 的计算 / 110
4.4.5 混合物中组分i 的逸度f^i 及其逸度系数φ ^i 的定义 / 111
4.4.6 混合物中组分i 的逸度f^i 及其逸度系数φ ^i 的计算 / 112
4.4.7 液体的逸度 / 116
4.4.8 压力和温度对逸度的影响 / 118
4.5 理想溶液 / 119
4.5.1 理想溶液的定义与标准态 / 119
4.5.2 理想溶液的特征及其关系式 / 121
4.5.3 理想溶液模型的用途 / 121
4.6 活度及活度系数 / 122
4.6.1 活度和活度系数的定义 / 122
4.6.2 活度系数标准态的选择 / 124
4.6.3 超额性质 / 125
4.7 活度系数模型 / 131
4.7.1 Redlish-Kister经验式 / 131
4.7.2 对称性方程 / 132
4.7.3 两参数Margules方程 / 132
4.7.4 van Laar方程 / 133
4.7.5 局部组成概念与Wilson方程 / 133
4.7.6 NRTL (Non-Random Two Liquids) 方程 / 135
*4.7.7 UNIQUAC方程 / 136
*4.7.8 基团溶液模型与UNIFAC方程 / 137
科学史话——吉布斯的热力学“三部曲” / 141
本章小结 / 143
本章符号说明 / 146
习题 / 146
第5章 相平衡/ 150
5.1 相平衡基础 / 151
5.1.1 相平衡判据 / 151
5.1.2 相律 / 152
5.2 互溶系统的汽液平衡计算通式 / 152
5.2.1 状态方程法(EOS法) / 153
5.2.2 活度系数(γi 法) / 153
5.2.3 方法比较 / 155
5.3 汽液平衡 / 155
5.3.1 二元汽液平衡相图 / 156
5.3.2 低压下泡、露点计算 / 160
5.3.3 中压下泡点、露点计算 / 167
5.3.4 烃类系统的K 值法和闪蒸计算 / 171
5.4 汽液平衡数据的热力学一致性检验 / 177
5.4.1 Gibbs-Duhem 方程的活度系数形式 / 178
5.4.2 积分检验法(面积检验法) / 178
5.4.3 等压汽液平衡数据的热力学一致性检验 / 179
5.4.4 微分检验法(点检验法) / 180
5.5 热力学模型选择与Aspen Plus / 183
5.5.1 Aspen Plus在化工过程模拟中的主要功能 / 183
5.5.2 相平衡计算中的物性方法与模型选择 / 183
5.5.3 热力学模型选择对精馏塔设计的影响案例 / 185
*5.6 其他类型的相平衡 / 193
5.6.1 液液平衡 / 193
5.6.2 汽液液平衡 / 194
5.6.3 气液平衡 / 194
5.6.4 固液平衡 / 196
5.6.5 气固平衡和固体(或液体) 在超临界流体中的溶解度 / 196
本章小结 / 197
本章符号说明 / 198
习题 / 199
第6章 化工过程能量分析/ 203
6.1 热力学第一定律及其应用 / 204
6.1.1 稳流系统的热力学第一定律 / 205
6.1.2 稳流系统热力学第一定律的简化及应用 / 207
6.2 热力学第二定律及其应用 / 211
6.2.1 封闭系统的熵平衡式 / 212
6.2.2 孤立系统的熵平衡式 / 213
6.2.3 敞开体系的熵平衡式 / 213
6.3 理想功、损失功和热力学效率 / 216
6.3.1 理想功 / 216
6.3.2 损失功 / 218
6.3.3 热力学效率 / 220
6.4 损耗功分析 / 221
6.4.1 流体流动过程 / 221
6.4.2 传热过程的热力学分析 / 222
6.4.3 传质过程的热力学分析 / 225
6.5 有效能 / 227
6.5.1 能量的级别与有效能 / 228
6.5.2 稳流过程有效能计算 / 229
6.5.3 有效能与理想功的异同 / 232
6.5.4 不可逆过程的有效能损失与无效能 / 233
6.5.5 有效能平衡方程式与有效能效率 / 234
6.6 化工过程能量分析及合理用能 / 237
6.6.1 化工过程的能量分析 / 237
6.6.2 合理用能基本原则 / 243
知识拓展——能源的梯级利用 / 243
工程案例——化工热力学为节能减排而生 / 244
本章小结 / 246
本章符号说明 / 247
习题 / 248
第7章 蒸汽动力循环与制冷循环/ 251
7.1 气体的压缩 / 252
7.1.1 气体的压缩过程 / 252
7.1.2 等温压缩过程 / 253
7.1.3 绝热压缩过程 / 253
7.1.4 多变压缩过程 / 254
7.2 气体的膨胀 / 259
7.2.1 节流膨胀过程 / 259
7.2.2 对外做功的绝热膨胀过程 / 261
7.3 蒸汽动力循环 / 264
知识拓展——发电厂介绍 / 265
7.3.1 卡诺(Carnot) 蒸汽循环 / 266
7.3.2 Rankine循环及其热效率 / 267
7.3.3 蒸汽参数对Rankine循环热效率的影响 /
271
7.3.4 Rankine循环的改进 / 272
知识拓展——超临界和超超临界火电机组 / 277
7.4 制冷循环 / 279
7.4.1 制冷原理与逆Carnot循环 / 279
7.4.2 蒸汽压缩制冷循环 / 281
知识拓展——各种实际因素对蒸汽压缩制冷循环的影响 286
7.4.3 制冷剂和载冷剂的选择 / 292
知识拓展——制冷工质的发展历程 294
7.4.4 吸收式制冷循环 / 295
7.5 热泵 / 297
7.5.1 热泵原理及性能指标 / 297
*7.5.2 热泵精馏 / 299
*7.6 深冷循环与气体液化过程 / 301
7.6.1 气体液化最小功 / 302
7.6.2 林德(Linde) 循环 / 302
7.6.3 克劳德(Claude) 循环 / 303
*7.7 热管 / 304
7.7.1 热管的工作原理 / 304
7.7.2 热管的传热极限 / 305
7.7.3 热管的应用 / 305
创新的轨迹——热力学第一定律改变了我们的生活 / 306
本章小结 / 307
本章符号说明 / 309
习题 / 309
附录/ 312
附录1 常用单位换算表 / 312
附录2 一些物质的基本物性数据表 / 313
附录3 一些物质的理想气体摩尔热容与温度的关联式系数表 /
315
附录4 一些物质的Antoine方程系数表 / 318
附录5 水的性质表 / 321
附录5.1 饱和水与饱和蒸汽表(按温度排列) / 321
附录5.2 饱和水与饱和蒸汽表(按压力排列) / 322
附录5.3 未饱和水与过热蒸汽表 / 324
附录6 R134a的性质表 / 330
附录6.1 R134a饱和液体与蒸气的热力学性质表 / 330
附录6.2 R134a过热蒸气热力学性质表 / 331
附录7 氨(NH3) 饱和液态与饱和蒸气的热力学性质表 / 331
附录8 氨的T-S 图 / 334
附录9 氨的Inp-H 图 / 335
附录10 R12 (CCl2F2) 的Inp-H 图 / 336
附录11 R22 (CHCIF2) 的Inp-H 图 / 337
附录12 水蒸气的H-S 图 / 338
附录13 空气的T-S 图 / 339
附录14 主要公式的推导 / 340
附录14.1 由RK方程计算组分逸度公式的推导 / 340
附录14.2 开系非稳态过程能量平衡方程式的推导 / 341
附录15 基团贡献法 / 343
参考文献/ 346
前言
《化工热力学》自2009年出版以来得到了读者的好评, 其起点高、眼界阔、理念和形式新、有时代感、脉络清晰、生动、易于理解的风格受到了师生们的喜爱, 被全国50多所兄弟院校使用。本教材2010年荣获中国石油和化学工业优秀教材奖, 2011年荣获江苏省精品教材。本书编者冯新教授2018年荣获“感动江苏教育人物——2018最美高校教师”的称号, 所主持的南京工业大学化工热力学课程2009年荣获国家精品课程; 周彩荣教授2016年荣获河南省高等教育教学名师称号。为了这些进步能与读者分享, 编者们花了整整三年时间对教材进行了修改。这期间, 编者们多方听取了使用者的意见; 同时, 不断汲取国内外及工业界最新养分, 希望把自己的所思所想和点滴进步反映到新版教材中。希望这本凝聚了编者们心血的教材能不辜负大家的期望和厚爱。
《化工热力学》(第二版) 在继承原有风格的基础上, 更加注重逻辑性和扩展知识, 强调模型选择的重要性:
1.第2～7章章首设置了“本章框架”“导言”和“本章基本要求”, 让学生一开始就对每一章的重要作用和主要内容、章与章之间的关系、需要重点掌握的知识点了然于心。
2.为了让学生能真正认识到化工热力学最重要的是“概念” 而不是“算算算”, 第5章新增了“5.5 热力学模型选择与Aspen
Plus”, 采用南京英斯派工程技术有限公司的工程案例作为例题,
真题真做, 考察了不同热力学模型对精馏塔的分离能力、设备和能耗、投资和操作费用及开车情况的影响。该工程案例充分说明, 如果没有准确地选择热力学模型,Aspen Plus给出的答案可能是非常荒谬的。可以说: 没有热力学模型, 就没有化工设计。
3.主要的内容变化: ①第2章“混合规则” 的描述更清晰; ②G=H-TS 始终是热力学的主线,
为此, 第3章新增“3.3.2 Gibbs自由能随T、p的变化关系式”；③第5章新增“5.5 热力学模型选择与Aspen
Plus”；④第6章“6.2热力学第二定律及其应用”
部分改动较大, “敞开体系的熵平衡”表述得更清晰, 新增了学生喜闻乐见的“工业生产节能实例”；⑤第7章在结构和内容上改动较大, 以提高学习效果；⑥新增了较多的例题与习题, 以体现各章之间千丝万缕的联系；⑦为了让学生们了解更多化工热力学的历史、感受到时代的脉搏, 增加了“知识拓展”内容。
4.开发了与本教材配套的计算软件, 可登录www.cipedu.com.cn注册会员(网页首行), 搜索“化工热力学” 或“作者姓名” 查找下载。
本书第1章、第2章由南京工业大学冯新教授编写, 第3章、第7章由郑州大学周彩荣教授编写, 第4章、第5章由武汉工程大学宣爱国教授编写, 第6章由华北理工大学侯彩霞副教授编写,
全书由冯新教授、宣爱国教授统稿。
各章的参考学时为第1章2学时、第2章6学时、第3章6学时、第4章10～12学时、第5章8～12学时, 第6章6～8学时、第7章6～8学时。带* 号的内容可作为选讲内容,便于教师根据不同专业、不同学时要求进行取舍。
在《化工热力学》(第二版) 编写过程中, 不仅编者们竭尽了全力, 也得到了很多专家、同行、学生的支持和帮助: 华东理工大学刘洪来教授、南京工业大学陆小华教授、瑞典吕勒奥工业大学吉晓燕教授给予了高水平的指点；南京英斯派工程技术有限公司谢佳华总经理花费了大量时间和精力为本书撰写案例, 并把很多宝贵的设计案例无私奉献了出来；南京工业大学化工学院刘畅教授、杨祝红副教授、吕玲红教授、朱育丹副教授提出了很多有益的建议, 刘畅教授提供了许多有价值的教改成果；武汉工程大学化工与制药学院杨犁副教授、武汉工程大学邮电与信息工程学院向丽副教授为本书再版的校正和教材的配套计算软件开发提供了很多支持；武汉工程大学化工与制药学院硕士研究生宋子林为本书开发了配套的计算软件；南京工业大学化工学院樊凡同学对配套的计算软件进行了测试；许多使用本教材的师生也对再版提出了宝贵意见。再版工作还得到江苏省精品教材、江苏省品牌专业建设经费的支持, 在此一并深表谢意!
由于编者的学术水平有限, 书中难免有不妥之处, 敬请读者批评指正。
编者
2019年1月
第一版前言
化工热力学是国内外化学工程与工艺专业的主干课程, 是化工过程研究、开发和设计的理论基础。
化工热力学概念严谨、理论性强, 使众多学子在枯燥的数学公式和抽象的概念面前望而生畏。课时缩短后, 问题更加突出。
为解决应用型人才培养中对课程“为什么学-学什么-如何学-如何用” 的困惑, 2007年7月, 教育部化学工程与工艺专业教学指导分委员会在北京召开了“化学工程与工艺专业应用型本科教学研讨会”, 对应用型本科教材提出了新的要求, 并确定以南京工业大学冯新、武汉工程大学宣爱国为牵头人来负责组织应用型《化工热力学》教材的编写工作。之后, 同年8月在天津大学召开“全国化工类专业教学成果推广暨人才培养方案与核心课程教学研讨会”以及11月在郑州大学召开“第二届全国化工热力学教学与学科发展研讨会”上, 经过广泛交流、充分讨论, 新教材确定了“从生活中来, 到生产中去”的主旨。教材编写内容始终围绕“为什么要学-学什么-如何学-如何用”展开。为了使学生能真正体会到化工热力学的美丽和智慧所带来的快乐, 本教材无论从内容上还是形式上均有推陈出新之举, 令人耳目一新。
(1)以学生为中心,注重列举生活和生产实例
改革传统教育观念, 强调以学生为中心。“ 理解是走向真知必不可少的阶段”, 本教材精心设计例题和习题——考虑到学生对生产没有感性认识, 本教材从生活入手, 用学生熟悉的生活例子设疑, 再用化工热力学原理解疑, 最后上升到生产中去。如“液化气成分的选择”“以压缩天然气为燃料的出租车的里程问题”等；; 此外, 各章适时穿插一些与热力学原理密切相关的科学前沿成果, 如“低温热管降服青藏铁路冻土‘多动症’”“化工热力学与遏制全球变暖的关系”。人所共知,
全球气候变暖是一个关系到人类存亡的大问题, 而CO2等温室气体的捕集、埋存与热力学的溶解度紧密相关。这些看似简单的生活问题, 实则隐藏着深深的热力学原理, 希望通过这些例子让学生们领悟到化工热力学的重要。
(2)注重科学层面上培养学生的节能减排意识
化工热力学最根本任务就是给出物质和能量的最大利用极限, 因此本教材希望从科学层面上培养学生的节能减排意识。我们深信, 与只会翻开书本套公式的学生相比, 能在头脑中有清晰、正确合理利用能源与资源概念的学生对全球可持续发展的贡献更大。因此, 本教材中无论是引言还是例题经常将热力学原理与国计民生相联系, 以培养学生对能源资源的忧患意识。
(3)注重化工热力学巧妙思想方法的传输
化工热力学的数学公式纷繁复杂, 理论概念严谨、抽象, 但其实是“似至晦, 实至明；似至繁, 实至简；似至难, 实至易”。它时时处处将“复杂事物变成简单事物加校正”的解决问题的方法, 非常巧妙与独特, 值得同学们学习与借鉴。
(4)注重绪论、引言和结论
本教材非常重视绪论、引言和结论。
绪论中详细地交代了化工热力学的用途、研究内容和特点、研究方法以及各章之间的关系, 这样可以使学生一开始就对该课程的总体框架有一个较为清晰的认识。
每一章引言从学生已有知识入手, 以国家和社会需求为大背景, 生动、有时代气息, 亲切如同课堂开场白; 每一章以设问为出发点, 围绕提出问题和解决问题, 循环往复,
以问题带动知识的学习和掌握, 使教学活动诱人深入, 不断激发学生的求知欲望。
各章之间内容与公式的前后呼应, 更体现了不同章节热力学原理之间千丝万缕的联系和丝丝入扣的特征。
每一章的小结, 都是从全局来理解该章内容的重要性以及最重要的概念和结论回顾, 让学生一目了然。
(5)图文并茂、计算手段新颖
本教材最大的创新和特点是, 留出1/4版面, 插入大量图片和重点提示图板, 使得教材生动活泼、重点突出、易于理解。而应用Excel“单变量求解”工具和状态方程计算软件的图解说明, 将纷繁复杂的计算演绎得清楚明了、易于掌握, 从而诠释了计算机、网络与化工热力学的联系和应用, 极具时代气息。
本教材另一创新是通过“创新的轨迹”讲述原理和公式背后的故事, 让学生理解基础研究的重要性和科学技术的继承性。
全书分为7章。第1章为绪论、第2章为流体的p-V-T关系和状态方程, 由南京工业大学冯新教授编写；第3章为纯流体的热力学性质计算, 由郑州大学周彩荣教授编写；第4章为溶液热力学性质的计算、第5章为相平衡, 由武汉工程大学宣爱国教授编写; 第6章是化工过程能量分析, 由河北理工大学田永淑教授编写；第7章是压缩、膨胀、动力循环与制冷循环, 由沈阳化工大学龙小柱教授编写。冯新教授、宣爱国教授对全书进行了通读和统稿。全书由天津大学马沛生教授主审。
各章的参考学时为第1章和第2章6学时、第3章6学时、第4章12学时、第5章8～12学时, 第6章6～8学时、第7章6～8学时。带* 号的内容可作为选讲内容, 便于教师根据不同专业、不同学时要求进行取舍。
本书作为化学工程与工艺及有关专业的应用型本科教材, 也可作为化学化工教师、化学工程师、研究生和从事相关工作的科研和工程技术人员的参考书。
在本教材的写作过程中, 得到南京工业大学陆小华教授、武汉工程大学王存文教授、郑州大学蒋登高教授的热情关怀和指导; 也得到了南京工业大学材料化学工程国家重点实验室钱红亮硕士生、云志教授、张雅明教授、杨祝红副教授、吕玲红副教授、刘畅副教授和武汉工程大学“绿色化工过程”教育部和湖北省共建实验室邹正、王丁, 南京工业大学化学化工学院孙超、谢文龙、吕家威的帮助; 本教材还得到南京工业大学“化学工程与工艺国家特色专业”
以及“化学工程与工艺专业国家优秀教学团队”建设经费的支持, 在此向他们表示深深的感谢!
由于我们的学术水平有限, 书中不足之处, 敬请读者批评指正。
编者
2008年12月
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