中国石油大学（华东）：《化工热力学》课程教学大纲 Syllabus of Chemical Engineering Thermodynamics.pdf_大学文库

《化工热力学》教学大纲 Syllabus of Chemical Engineering Thermodynamics 课程基本信息 Course Information 课程名称 Course Name 化工热力学 Chemical Engineering Thermodynamics 开课院部 School 化学工程学院院部代码 School Code 03 负责人 Leader 宋春敏课程团队 Team Members 化工热力学课程团队课程编码 Course Code 03113 学分 Credits 3.5 课内学时 Course Hours 56 理论学时 Lecture Hours 56 实验学时 Experiment Hours 12（含在专业实验中）上机学时 Programming Hours 实践学时 Practice Hours 课外学时 Home Hours 适用专业 Audience 化学工程与工艺授课语言 Language of Instruction 中文先修课程 Prerequisite 物理化学、高等数学、计算机语言课程简介 Course Description 化工热力学是化学工程学科的一个重要分支，是化学工程与工艺专业高年级学生必修的专业核心课，是化工过程研究、开发与设计的重要理论基础。主要内容包括流体的pVT关系和状态方程、流体的热力学性质、化工过程的能量分析、蒸汽动力循环与制冷循环，均相混合物的热力学性质、相平衡和化学平衡等。教学目标就是运用经典热力学的原理，并结合反映系统特征的模型（状态方程和活度系数模型），解决工业过程(特别是化工过程)中热力学性质的计算和预测、相平衡和化学平衡的计算、能量的有效利用等实际问题，以便为学习后续课程和解决化工过程的实际问题打下牢固的理论基础。 Chemical Engineering Thermodynamics is an important branch of Chemical Engineering, which is a required specialized basic course for Chemical Engineering majors. It is an important theoretical basis for research, development and design of the chemical process. It deals with the mutual transformation of various kinds of energies and their effective utilization and well illustrates the theoretical limit, conditions, states and formation of each physical and chemical change process. The object of this course enables students to obtain a good understanding of the principles of classical thermodynamics, and a proficiency in applying these principles to the solution of a large variety of energy flow and equilibrium problems. With this course

students will lay the theoretical basis for further study, such as separation engineering, chemical process design and chemical reaction engineering. Knowledge of advanced mathematics and computer language is required. 课程教学大纲 Course Syllabus 课程目标 Learning Outcomes 课程目标毕业要求指标点目标1：理解和深化经典热力学的基本概念、基本理论和基本方法 1.2 目标2：熟悉和了解常用的热力学模型及其适用范围，掌握热力学性质计算和预测方法 1.2，5.3 目标3：能够运用经典热力学的“三基”结合分子热力学模型处理和解决工程实际中有关相平衡的问题 2.1，2.2 目标4：能够运用经典热力学原理对化工过程进行能量分析，会分析典型化工单元过程的不可逆性的影响因素 2.1，2.2 Learning Outcomes Major Objectives Outcom 1: To Understand and deepen the basic concepts, basic theory and basic methods of classical thermodynamics 1.2 Outcom 2: Familiar with and understand the commonly used thermodynamic models and their applicable scope, and master the calculation and prediction methods of thermodynamic properties 1.2，5.3 Outcom 3: Using the "three Basics" of the classical thermodynamics combination with the classical thermodynamic models to deal with and solve the problem of phase equilibrium in engineering practice 2.1，2.2 Outcom 4: The ability to use classical thermodynamic principles for energy analysis of chemical processes, and to analyze the factors affecting the irreversibility of typical chemical unit processes. 2.1，2.2 教学内容 Topics 第1章绪论本章重点难点：化工热力学研究的特点，化工热力学的主要任务及研究方法。化工热力学在课程链上的位置，化工热力学发展简述，化工热力学的研究对象、特点与限制，热力学的研究方法，化工热力学与其他学科的关系，热力学基本概念，课程学习要求。通过本章内容的学习，可使学生了解化工热力学学科的发展历程、发展现状和发展趋势，并熟悉化工热力学的研究方法。第2章流体的pVT关系和状态方程本章重点难点：立方型状态方程，三参数普遍化关系式，状态方程的选择。 2.1 纯物质的p-V-T关系 2.2 流体的状态方程立方型状态方程，多参数状态方程，维里方程。介绍状态方程研究的最新进展

23对应态原理和普遍化关联式对比状态原理，偏心因子和三参数普遍化关系式，结合计算机软件如An等讲解热力学模型的选取、物性拟软件中常用本的pT关系以及各种类型的状态界的方程木音香占占质的计算学性质间的关系，剩余性质及真实气体热力学性热力学基本方程，MaX 川关系式及其应用 32理想气体热力学性质的计算 3.3真实气体热力学性质的计算热力学函数的计算原理及方剩余性质的定义，剩余焓和剩余熵的泰3学生先程资的法水易测定焓熵图，水蒸气表的焓第4章化的能量分折计算以的应既念及计典型化工单元过程的㶲损失，学分析 4.1热力学第定律及其应用普遍化的能量平衡方程及其应用 42热力学第二定律及其应用热力学第二定律，熵与熵增原理，熵平衡方程及其应用 43理想功、损失功和热力学效率理想功的定义，稳流过程的理想功，损失功的定义及计算，热力学效率 4.4炯能量的级别与㶲的概念，稳流过程㶲的计算，不可逆性过程的㶲损失，拥效率。热力学设过程中，典型红程热力学分析合理用能白基本在流程选择、设备设计中应充分考虑能量的合理 ,节能减通过本章内容学习，使学生掌握热力学第第一定律在化工过程中的应用，掌握理想功算及应用，了解化工过程的热力学分析方法，熟悉化工单元过程的能量分析及能量合理利用的基本原则，具备对化工过程能量利用进行分析计算的基本技能，可以结合综合案例学习这部分的内容。第5章溶液热力学性质的计算本章重点难点：偏摩尔性质，Gibbs-Duhem方程及其应用，偏摩尔性质间的美系，各种逸度系数的计算，主要的活度系数模型以及活度系数核里们均相微开体系的热力学基本夫系偏摩尔性质定义。化学位尔性质之间的关系偏摩偏摩尔性质的计算 Gibbs. Du 5.3混合变量（混合性质变化） 54逸度与逸度系数

2.3 对应态原理和普遍化关联式对比状态原理，偏心因子和三参数普遍化关系式。 2.4 真实气体混合物的pVT关系 2.5 状态方程的选择和实际应用结合计算机软件如Pro II、Aspen Plus等讲解热力学模型的选取、物性数据的计算以及模拟软件中常用的状态方程。通过本章内容学习，使学生掌握流体的pVT关系以及各种类型的状态方程，熟悉模拟软件中常用的状态方程。第3章纯流体的热力学性质计算本章重点难点：热力学性质间的关系，剩余性质及真实气体热力学性质的计算，水蒸气表的应用。 3.1热力学性质间的关系热力学基本方程，Maxwell关系式及其应用。 3.2理想气体热力学性质的计算 3.3真实气体热力学性质的计算热力学函数的计算原理及方法，剩余性质的定义，剩余焓和剩余熵的计算，真实气体的焓变和熵变计算。 3.4纯流体的热力学性质图和表两相系统的热力学性质，热力学性质图表，焓熵图，水蒸气表。通过本章的学习，使学生熟悉热力学性质的计算方法，掌握由易测定的热力学性质经过适当的数学方法来计算真实气体的热力学性质以及过程的焓变和熵变的方法，为化工过程的热力学分析奠定基础。第4章化工过程能量分析本章重点难点：能量平衡方程中各项意义、计算以及在工程上的应用，熵平衡方程及其应用，理想功和损失功的计算，㶲的概念及计算，㶲平衡，典型化工单元过程的㶲损失，化工过程热力学分析。 4.1 热力学第一定律及其应用普遍化的能量平衡方程及其应用。 4.2 热力学第二定律及其应用热力学第二定律，熵与熵增原理，熵平衡方程及其应用。 4.3 理想功、损失功和热力学效率理想功的定义，稳流过程的理想功，损失功的定义及计算，热力学效率。 4.4 㶲能量的级别与㶲的概念，稳流过程㶲的计算，不可逆性过程的㶲损失，㶲平衡方程式与㶲效率。 4.5化工过程能量分析热力学分析的方法，典型化工单元过程热力学分析，合理用能的基本原则。化工设计过程中，在流程选择、设备设计中应充分考虑能量的合理利用，节能减排。通过本章内容学习，使学生掌握热力学第一、第二定律在化工过程中的应用，掌握理想功、损失功、㶲的计算及应用，了解化工过程的热力学分析方法，熟悉化工单元过程的能量分析及能量合理利用的基本原则，具备对化工过程能量利用进行分析计算的基本技能。可以结合综合案例学习这部分的内容。第5章溶液热力学性质的计算本章重点难点：偏摩尔性质，Gibbs-Duhem方程及其应用，偏摩尔性质间的关系，各种逸度系数的计算，主要的活度系数模型以及活度系数模型的选择。 5.1 均相敞开体系的热力学基本关系 5.2 偏摩尔性质偏摩尔性质的定义，化学位，偏摩尔性质与溶液性质间的关系，偏摩尔性质之间的关系，偏摩尔性质的计算，Gibbs-Duhem方程及其应用。 5.3 混合变量(混合性质变化) 5.4 逸度与逸度系数

逸度与逸度系数的定义，纯气体逸度与逸度系数的计算，纯液体的逸混合物的逸度及其计算，溶液中组分的逸度和逸度系数的定义及其计混合想逸度与其度之间的关系，温度、压力对逸度的影响：容液和非理 (及性质，非理想溶液的性质。活度系数标准态的选择，活度系数与组成的关系 5.7超额性质招领性质的定义超额Gibbs自由能和活度系数的关系典型的活度系数模型，各种活度系数摸型的活用节围结合计算机软件如ProⅡ、 Aspen Plus等讲解活度系数模型的选取以及模拟软件中常用的活度系数模型通过本章内容学习，使学生全面了解溶液热力学性质的概念和计算掌握偏摩尔性质、混合变量、理想溶液和超额性质等重要念，熟偏牌尔性质和溶液性质间的关系具实溶液热力学性质的计算方法，其中蒙量要的是逸度系数和洁度系数的时异，本草为相平衡无其是汽液平衡打章相平衡重高难 :相平衡计度系数模型中方程参数的确定。汽液平衡不后法的特点与实际洗法 61相平衡相平衡的判据、相律平准计算诵式汽液平衡的基本问题、求解类型和热力学处理方法，状态方程法，活度系数法。 6.3汽液平衡的计算多组分体系汽液平衡的计算，闪蒸的计算，活度系数模型中方程参数的确定。 6.41 -Duhem方程的应用 6.5液液平 6.6用模拟软件计算汽液平衡和液液平衡的应用 ,选用合适的状态方程或者活度系数模型务体系的汽液平衡和液液平衡问题。（自编程序计算或应用模拟计算软件计算) 学生掌握相平衡夜平衡计算的基本，衡计算的基本方法，具备对化工过程设计计算的基本拉第7章动力循环与制冷循环本音重占占节流膨胀及绝热做外功膨胀制冷原理；蒸汽动力循环、制冷循环的热力学分析与计算 7.1气体的压缩 7.2气体的膨胀节流膨胀及绝热做外功膨胀制冷原理 7.3蒸汽动力循环卡诺循环，朗肯循环、朗肯循环的改进 7.4制玲循逆向卡诺循环，蒸汽压缩制冷循环，吸收制冷循环，制冷工质的选择，热泵分析 Chapter 1 Introduction The scone nics The central problems of thermodynamics Definitions and fundamental ideas of thermodynamics.Approach to solve thermodynamic problems.Review of thermodynamic concepts

逸度与逸度系数的定义，纯气体逸度与逸度系数的计算，纯液体的逸度，混合物的逸度及其计算，溶液中组分的逸度和逸度系数的定义及其计算，混合物的逸度与其组分逸度之间的关系，温度、压力对逸度的影响。 5.5 理想溶液和非理想溶液理想溶液的定义及性质，非理想溶液的性质。 5.6 活度与活度系数活度与活度系数的定义，活度系数标准态的选择，活度系数与组成的关系。 5.7 超额性质超额性质的定义，超额Gibbs自由能和活度系数的关系。 5.8活度系数模型典型的活度系数模型，各种活度系数模型的适用范围。结合计算机软件如Pro II、Aspen Plus等讲解活度系数模型的选取以及模拟软件中常用的活度系数模型。通过本章内容学习，使学生全面了解溶液热力学性质的概念和计算，掌握偏摩尔性质、混合变量、理想溶液和超额性质等重要概念，熟悉偏摩尔性质和溶液性质间的关系，掌握真实溶液热力学性质的计算方法，其中最重要的是逸度系数和活度系数的计算，本章为相平衡尤其是汽液平衡打下坚实基础。第6章相平衡本章重点难点：相平衡计算，活度系数模型中方程参数的确定。汽液平衡不同计算方法的特点与实际选择。 6.1 相平衡基础相平衡的判据、相律。 6.2 互溶系统的汽液平衡计算通式汽液平衡的基本问题、求解类型和热力学处理方法，状态方程法，活度系数法。 6.3 汽液平衡的计算多组分体系汽液平衡的计算，闪蒸的计算，活度系数模型中方程参数的确定。 6.4 Gibbs-Duhem方程的应用 6.5 液液平衡 6.6 用模拟软件计算汽液平衡和液液平衡的应用对于给定的物系及其条件，选用合适的状态方程或者活度系数模型，计算多组分体系的汽液平衡和液液平衡问题。(自编程序计算或应用模拟软件计算) 通过本章学习，使学生掌握相平衡理论，汽液平衡计算的基本方法，熟悉模拟软件中平衡计算的基本方法，具备对化工过程设计计算的基本技能。第7章动力循环与制冷循环本章重点难点：节流膨胀及绝热做外功膨胀制冷原理；蒸汽动力循环、制冷循环的热力学分析与计算。 7.1 气体的压缩 7.2 气体的膨胀节流膨胀及绝热做外功膨胀制冷原理。 7.3 蒸汽动力循环卡诺循环，朗肯循环、朗肯循环的改进。 7.4 制冷循环逆向卡诺循环，蒸汽压缩制冷循环，吸收制冷循环，制冷工质的选择，热泵。通过本章学习，使学生掌握蒸汽动力循环与制冷循环的工作原理，并对循环过程进行热力学分析，评价能量利用与消耗的情况，了解节能减排的新技术。 Chapter 1 Introduction The scope of thermodynamics. The central problems of thermodynamics. Definitions and fundamental ideas of thermodynamics. Approach to solve thermodynamic problems. Review of thermodynamic concepts

Chapter 2 pVT of Pure Fluids and Equations of State 2.1 pVT behavior of pure substances 2.2 Equations of state Cubic equations of state, Virial equations of state 2.3 The principle of corresponding states Two-parameter corresponding states. Definition of acentric factor. Threeparameter corresponding states. Using corresponding states to solve a real gas problem. 2.4 pVT behavior of gas mixtures 2.5 Selection and practical application of EOS Combined with computer softwares, such as Pro II, Aspen Plus and so on, the selection of thermodynamic model, the calculation of physical properties data and the equation of state commonly used in simulation software are introduced. Chapter 3 Thermodynamic Properties of Fluids 3.1 Property relations for homogeneous phases Some mathematical preliminaries. Maxwell relations and their application. 3.2 Thermodynamic properties of ideal gas 3.3 Thermodynamic properties of real fluids Residual properties. Thermodynamic properties calculations for real fluids. The fundamental residual-property relations. Enthalpy and entropy changes of real gas. The evaluation of changes in the thermodynamic properties of real substances accompanying a change of state. 3.4 Thermodynamic properties diagrams and tables Enthalpy-entropy diagram (Mollier diagram), and steam tables. Chapter 4 Thermodynamic Analysis of Processes 4.1 The first law of thermodynamics and its application Energy conservation. General balance equation. Mass and energy balance equations for open systems. Applications of the mass and energy balance equation. The steady-state flow process. Typical chemical equipment and processes, such as turbine (expander), pump, nozzle, compressing process, throttling process, et al 4.2 The second law of thermodynamics and its application Entropy. The second law of thermodynamics. Entropy balance for an open system. Entropy changes and irreversibility. Applications of the entropy balance. 4.3 Calculation of ideal work and lost work 4.4 Exergy Availability and exergy concepts. Calculation of exergy. The exergy loss of the irreversible process, the exergy balance equation and the exergy efficiency. 4.5 Thermodynamic analysis of steady-state flow processes Fluid flow process. Heat transfer process. Separation process. Chapter 5 The Thermodynamic Properties of Mixture 5.1 Property relations for homogeneous phases of open system Property relationships for systems of variable composition. 5.2 Partial molar properties The definition of partial molar property. The partial molar Gibbs free energy and chemical potential. Equations relating molar and partial molar properties. Relations among partial molar properties. Partial molar properties in binary solutions. Gibbs-Duhem equation. 5.3 Property changes of mixing The definition of property changes of mixing. Heat effects of mixing processes. Heat of mixing. The enthalpy-concentration (H-x) diagram. 5.4 Fugacity and fugacity coefficients Fugacity and fugacity coefficients: Pure species in gaseous, pure liquid and species in a mixture. Generalized correlations for the fugacity coefficients

5.5 Ideal solutions Ideal mixture. The ideal-solution model. The Lewis-Randall rule. 5.6 Activity and activity coefficients The definition of activity and activity coefficient. Reference (standard) states. 5.7 Excess properties The definition of excess mixing property. The fundamental excessproperty relation The excess Gibbs energy and activity coefficient. Excessproperty relations. 5.8 Activity coefficient models Several correlative liquid mixture (activity coefficient) models. Excess Gibbs energy models. Margules equation and van Laar equation. The concept of local-composition. The Wilson equation, NRTL equation and so on. Chapter 6 Phase Equilibrium 6.1 The nature of equilibrium The criterion for phase equilibrium in multicomponent systems. The Gibbs phase rule. 6.2 Vapor-liquid equilibrium(VLE) The fundamental problem of VLE. The Gamma/Phi Formulation of VLE. VLE from cubic equations of state (EOS). 6.3 Vapor-liquid equilibrium calculations for miscible systems Vapor-liquid equilibrium using activity coefficient models. Low-pressure VLE. Vapor-liquid equilibrium using equations of state (EOS). Flash calculation. Activity coefficients from experimental data. 6.4 The application of Gibbs-Duhem equation Thermodynamic consistency test for the vapor-liquid equilibrium (or activity coefficient) experimental data. 6.5 Liquid-liquid equilibrium(LLE) Equilibrium and stability. General LLE relation using activity coefficients. 6.6 Application of VLE and LLE in Aspen Plus Chapter 7 Power Cycle and Refrigeration Cycle 7.1 Compression Work in an isothermal process, isentropic process, polytropic process. 7.2 Expand 7.3 The steam power cycles The Carnot cycle. Rankine cycle. The efficiency of a steam power cycle. 7.4 Refrigeration cycle The Carnot refrigerator. The vapor-compression refrigerator cycle. The choice of refrigerant. Absorption refrigeration. Heat pump. The coefficient of performance. 教学进度及要求 Class Schedule & Requirements 内容课内学时教学方式课外学时课外环节课程目标 1 2 讲授自学目标1 2.1 1 讲授自学/案例目标1/2 2.2 2 讲授作业目标1/2 2.3-2.5 2 讲授作业/自学/案例目标1/2 3.1-3.4 4 讲授作业目标1/2 2-3 1 习题课/讨论目标2

环节1 综合表现等（包括出勤，随堂小测验，网上平台讨论发言，答疑，网上测试等） 10% 环节2 作业（包括纸质版作业，大作业或小论文等） 20% 环节3 期中考试 10% 环节4 期末考试 60% Evaluation Percentage Evaluation 1 Attendance and Performance 10% Evaluation 2 Assignment 20% Evaluation 3 Midterm Exam 10% Evaluation 4 Final Exam 60% 教材及参考资料 Textbooks & Other Materials 1．《Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics》,J.M.Smith, H.C.Van Ness, M.M.Abbort, McGraw-Hill Education, 2002，国外名校名著； 2. 《Chemical and Engineering Thermodynamics》(third edition)，S. I. Sandler，化学工业出版社，2002，国外名校名著； 3. 《化工热力学》，冯新、宣爱国、周彩荣、田永淑、龙小柱编，化学工业出版社，2009，教育部高等学校化学工程与工艺专业教学指导分委员会推荐教材。(暂用教材)； 4. 《化工热力学》(第三版)，朱自强、吴有庭编者，化学工业出版社， 2009，普通高等教育“十一五”国家级规划教材； 5. 《化工热力学》(第三版)，陈新志、蔡振云、胡望月、钱超编著，化学工业出版社，2009，面向21世纪课程教材； 6. 《化工热力学习题精解》，陈新志、蔡振云、夏薇编，科学出版社， 2002。 7. 网上资料，精品课程网等 1．《Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics》,J.M.Smith, H.C.Van Ness, M.M.Abbort, McGraw-Hill Education, 2002； 2. 《Chemical and Engineering Thermodynamics》(3rd edition)，S. I. Sandler, John Wiley & Sons, Inc.1999； 3. 《Chemical Engineering Thermodynamics》，feng xin、xuan aiguo、Zhou cairong、Tian yongshu、Long xiaozhu，Chemical Industry Press； 4. 《Chemical Engineering Thermodynamics》(3rd edition)，Zhu ziqiang、 Wu Youting，Chemical Industry Press，2009； 5. 《Chemical Engineering Thermodynamics》(3rd edition)，Chen xinzhi、 Cai zhenyun、Hu Wangyue、Qian Chao，Chemical Industry Press，2009. 其它 More 备注 Notes 大纲执笔人 Author 审核人(系/教研室主任) Approved by