了得網工業技術_化工熱力學（夏淑倩）（第三版）

編輯推薦

本書第三版為首批國家級一流課程配套教材，第二版為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，第一版為普通高等教育“十五”國家級規劃教材；本書內容堅持通用型、關注計算方法的實用性和概念的關聯性；新增的知識圖譜有助於學生掌握熱力學的重要概念和知識體繫；書中的例題、習題與前沿話題能幫助學生領會熱力學的思維方法，並將其原理應用於解決復雜的化工實際問題。

內容簡介

《化工熱力學》（第三版）主要介紹了經典熱力學原理、模型及其在化工中的應用，該教材突破了“石油化工”小分子化合物領域，涉及精細化工和環境工程的熱力學計算方法。本書共分為11章，主修部分詳細講解了流體的p-V-T關繫流體及其過程的熱力學性質、熱力學基本定律及其應用、均相流體混合物熱力學性質、相平衡、物性數據的估算及化學反應熱和反應平衡等內容；輔修部分包括環境熱力學、相平衡的估算、化工熱力學的應用與展望等。本書不僅描述了流體繫統中各種熱力學狀態函數及其之間的關繫，也包括了熱力學三大定律在化工過程中的能量分析應用，還包括各種熱力學狀態函數在相變化和化學變化時的平衡規律和估算方法。本書配有微課視頻、教學課件、習題答案、知識圖譜和電子版附錄輔助讀者學習使用，可通過掃描封底二維碼獲取。《化工熱力學》（第三版）可供化學工程與工藝、資源循環科學與工程、能源化學工程、環境工程等專業本科生使用，也可供從事化學、化工、材料和熱能工程的教師、研究生和工程技術人員參考。

作者簡介

夏淑倩，女，1973年出生，教授，博士生導師。1995年獲天津大學學士學位，1998年獲天津大學碩士學位，2003年獲天津大學博士學位。1998年3月至今，在天津大學工作，曾任天津大學化工學院副院長，現任天津大學教務處副處長，新工科教育中心辦公室主任，教材建設與管理辦公室主任，兼任2018-2022化工類專業教學指導委員會秘書長。新世紀優秀人纔，天津市教學名師，工程教育專業認證專家組長，國家級精品在線課負責人，虛擬仿真金課負責人。主持省部級以上教改項目7項，獲國家級教學成果獎5項，省部級教學成果獎10項。主持國家重點研發計劃課題、973前期研究項目、國家基金等科研項目10多項，第一作者/通訊作者，發表SCI收錄論文100餘篇，獲省部級科技進步二等獎2項。

主修部分第1章緒論21.1 熱力學發展簡史21.2 化工熱力學的主要內容31.3 化工熱力學的研究方法及其發展31.4 化工熱力學在化工中的重要性4第2章流體的p-V-T關繫62.1 純物質p-V-T的相行為62.2 流體的狀態方程82.2.1 理想氣體狀態方程82.2.2 維裡方程82.2.3 立方型狀態方程102.2.4 多參數狀態方程152.2.5 硬球擾動狀態方程152.3 對比態原理及其應用162.3.1 對比態原理162.3.2 三參數對比態原理172.4 普遍化狀態方程212.4.1 普遍化第二維裡繫數212.4.2 普遍化立方型狀態方程242.5 流體p-V-T關繫式的比較272.6 真實流體混合物的p-V-T關繫282.6.1 混合規則292.6.2 流體混合物的虛擬臨界參數292.6.3 氣體混合物的第二維裡繫數302.6.4 混合物的立方型狀態方程312.7 液體的p-V-T關繫342.7.1 飽和液體體積342.7.2 壓縮液體（過冷液體）體積352.7.3 液體混合物的p-V-T關繫35前沿話題1 可燃冰：小身材蘊含大能量36本章小結38習題39第3章流體及其過程的熱力學性質433.1 熱力學性質間的關繫433.1.1 熱力學基本方程433.1.2 Maxwell（麥克斯韋爾）關繫式453.2 焓變和熵變的計算483.2.1 單相流體焓變的計算483.2.2 單相流體熵變的計算583.2.3 蒸發焓與蒸發熵633.2.4 真實氣體熱容計算673.3 熱力學性質圖和表683.3.1 熱力學性質圖683.3.2 熱力學性質表75前沿話題2 從分子到機器——統計熱力學76本章小結77習題78第4章熱力學基本定律及其應用824.1 熱力學第一定律824.1.1 能量的種類824.1.2 可逆過程的體積功和流動功834.1.3 熱力學第一定律的數學表達式——能量平衡方程844.2 熱力學第二定律874.2.1 熵與熵增原理884.2.2 熵產生與熵平衡904.3 理想功、損失功與熱力學效率914.3.1 理想功914.3.2 損失功924.3.3 熱力學效率934.4 有效能和無效能944.4.1 有效能定義944.4.2 穩流過程有效能計算944.4.3 無效能964.4.4 有效能、無效能、理想功和損失功之間的關繫974.4.5 有效能效率974.5 能量的合理利用984.5.1 能量的質量和級別984.5.2 合理用能的基本原則984.6 氣體的壓縮994.6.1 單級往復式壓縮機的功耗994.6.2 多級壓縮1034.7 氣體的膨脹1044.7.1 節流膨脹1044.7.2 絕熱做功膨脹1064.7.3 氣體通過噴管的膨脹1084.8 蒸汽繫統和蒸汽動力循環1094.8.1 蒸汽繫統1094.8.2 蒸汽動力循環1124.9 制冷循環1174.9.1 理想制冷循環1174.9.2 蒸氣壓縮制冷循環1184.9.3 吸收式制冷循環1224.10 熱泵及其應用1234.10.1 熱泵及其熱力學計算1234.10.2 熱泵精餾1244.11 深冷循環與氣體液化1254.11.1 Linde（林德）循環1264.11.2 Claude（克勞德）循環1274.12 制冷劑和載冷劑的選擇1294.12.1 制冷劑的選擇1294.12.2 載冷劑的選擇130前沿話題3 能造出功率和效率都高的熱機嗎？130本章小結131習題132第5章均相流體混合物熱力學性質1365.1 變組成繫統的熱力學性質關繫1365.2 偏摩爾量1395.2.1 偏摩爾量定義1395.2.2 偏摩爾量的計算1405.2.3 偏摩爾性質的熱力學關繫1445.2.4 的同種偏摩爾性質關繫（Gibbs-Duhem方程）1455.3 流體混合過程熱力學性質變化1465.4 逸度和逸度繫數1495.4.1 純物質的逸度和逸度繫數1505.4.2 混合物的逸度和逸度繫數1565.5 理想混合物1635.5.1 概念的提出1635.5.2 理想混合物的模型與標準態1645.5.3 理想混合物的特征及關繫式1655.6 活度和活度繫數1655.6.1 活度和活度繫數的定義1665.6.2 標準態的選擇1675.6.3 溶液中活度繫數γi與γi*的關繫1685.6.4 超額性質1705.6.5 活度繫數模型1715.6.6 活度繫數模型參數的獲取1815.6.7 電解質溶液的活度繫數183前沿話題4 離子液體：“百變”綠色溶劑186本章小結187習題188第6章相平衡1926.1 相平衡基礎1926.1.1 平衡判據1926.1.2 相律1936.2 互溶繫統的汽液平衡關繫式1946.2.1 狀態方程法（EOS法）1946.2.2 活度繫數法1956.2.3 方法比較1966.3 中、低壓下汽液平衡1986.3.1 中、低汽液平衡相圖1986.3.2 中、低壓下泡點和露點計算2016.3.3 低壓下汽液平衡的計算2056.3.4 烴類繫統的K值法和閃蒸計算2096.4 高壓汽液平衡2146.4.1 高壓汽液平衡相圖2156.4.2 高壓汽液平衡的計算2186.5 汽液平衡數據的熱力學一致性檢驗2186.5.1 積分檢驗法（面積檢驗法）2186.5.2 微分檢驗法（點檢驗法）2206.6 平衡與穩定性2226.7 液液平衡2266.7.1 液液平衡LLE相圖2266.7.2 LLE平衡關繫及計算2276.7.3 汽液液平衡VLLE2296.8 氣液平衡2326.8.1 常壓下的GLE（氣體在液體中的溶解度）2326.8.2 壓力對氣體溶解度的影響2336.8.3 溫度對氣體溶解度的影響2346.8.4 活度繫數法計算GLE2356.8.5 狀態方程計算GLE2366.9 固液平衡SLE2386.9.1 固液平衡SLE的熱力學關繫2396.9.2 SLE的兩種極限情況2406.10 氣固平衡GSE和超臨界流體在固體(或液體)中的溶解度2426.10.1 氣固平衡GSE2426.10.2 超臨界流體在固體（或液體）中的溶解度243前沿話題5 CO2捕集、固定與利用（CCUS）技術中的熱力學244本章小結246習題246第7章物性數據的估算2497.1 化工數據概要2497.2 對比態法2507.2.1 二參數法2517.2.2 三參數法2517.2.3 使用沸點參數的對比態法2517.2.4 使用第四參數（極性參數）的對比態法2527.2.5 使用量子參數（第五參數）的對比態法2537.3 基團貢獻法2537.3.1 概述2537.3.2 發展和分類2547.3.3 沸點和臨界性質的估算——基團法的一組實例2557.4 蒸氣壓的估算2637.4.1 對比態法2637.4.2 基團貢獻法2667.5 純氣體黏度的估算2717.5.1 勢能函數法計算2717.5.2 對比態法估算273本章小結276習題276第8章化學反應熱和反應平衡2788.1 化學反應的熱效應2788.1.1 標準燃燒熱2788.1.2 標準生成熱2798.1.3 標準反應熱2808.1.4 溫度對標準反應熱的影響2818.1.5 工業反應熱效應的計算2818.2 化學反應平衡2838.2.1 化學反應進度2838.2.2 標準生成Gibbs自由能2858.2.3 化學反應平衡的判據2868.2.4 化學反應平衡常數2868.2.5 溫度對平衡常數的影響2878.2.6 單一反應平衡組成的計算2898.3 復雜化學反應平衡2968.3.1 復雜化學反應體繫的處理2968.3.2 化學反應繫統的相律2978.3.3 復雜化學反應平衡計算300本章小結307習題307輔修部分第9章環境熱力學3109.1 環境熱力學與一般化工熱力學的異同3109.2 辛醇/水分配繫數3119.2.1 定義和應用3119.2.2 估算方法3129.3 有機溶劑/水分配繫數3189.4 水溶解度3199.4.1 熱力學關繫3209.4.2 估算方法3219.5 空氣/水分配繫數3249.5.1 定義和熱力學關繫3249.5.2 用基團貢獻法估算3259.6 土壤或沉積物的吸附作用3269.6.1 吸附等溫線3269.6.2 幾種分配繫數327本章小結328習題328第10章相平衡的估算32910.1 ASOG活度繫數估算法32910.2 UNIFAC活度繫數估算法33010.3 超額Gibbs自由能-狀態方程（EOS）法344本章小結345第11章化工熱力學的應用與展望34611.1 化工計算中應用化工熱力學的幾個實例34611.2 化工熱力學與化工設計34811.3 化工熱力學在精細化工中的應用34911.4 化工熱力學在能源與環境中的應用35211.5 化工計算軟件中的化工熱力學35211.6 化工熱力學發展和多領域應用35311.6.1 分子熱力學與化工熱力學35311.6.2 化工熱力學展望353本章小結355習題355本書總結356電子版附錄清單358主要符號表359化工熱力學重要詞彙中英對照表361參考文獻366

前言

前言化工熱力學作為化工學科的一個重要分支，是熱力學基本原理應用於化學工程相關領域而形成的一門核心課程。該課程的目的是使學生能夠理解並掌握熱力學基本原理、定律，並利用熱力學模型和方法對化工及相關領域的體繫相行為、化學反應行為、能量轉換等進行定量分析研究。天津大學是我國第一批開設化工熱力學課程的高校之一，經過多年的教學實踐後，馬沛生先生組織化工熱力學教研室編寫了《化工熱力學》（通用型）教材，於2005年出版，並於2009年再版，該教材第一版為普通高等教育“十五”國家級規劃教材，第二版為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。本教材出版後得到全國多所高校的支持與選用，並被評選為第八屆中國石油和化學工業優秀教材一等獎。期間，編者們根據自己一線講課體驗，並廣泛聽取使用師生的反饋意見，不斷吸納並學習國內外其他教材的特色和進展，為修訂本書搜集素材，以更好地滿足不斷變化的教學需求。在第三版中我們堅持通用型的特色，力圖使本書適用範圍更廣，也關注化工熱力學的實用性，如本書中的例題、習題及前沿話題能幫助學生領會熱力學的思維方法，並將其原理應用於解決復雜的化工實際問題。在教材修訂期間，中國共產黨第二十次全國代表大會勝利召開，黨的二十大報告將教育、科技、人纔進行“三位一體”統籌安排，進一步突出了創新的核心地位，提高人纔的創新能力是教育的使命和擔當。在此背景下，為進一步突出學生“創新”能力的培養，本次修訂還做了如下工作。1．眾所周知，化工熱力學概念多且抽像，不同概念之間又聯繫緊密，為了方便讀者釐清熱力學知識脈絡和概念間的關聯，本次修訂增加了課程的知識圖譜。知識圖譜可清晰地顯示出化工熱力學的知識體繫及各知識點之間的相互聯繫，同時標注出了知識點的認知層次，即理解、應用與分析。知識圖譜中表示“應用”，即能將相應的知識點用於解決化工中遇到的真實問題；表示“分析”，即能夠針對具體知識點，建立科學的思維方法（如分析與綜合、歸納與演繹、抽像與概括、比較與推理等）並解決復雜的問題；未標注的為“理解”層次；表示在“物理化學”課程中已講過的內容。知識圖譜不僅釐清了課程主要內容和知識脈絡，而且有助於學生全面理解課程的知識體繫和網絡，並進一步融合各知識點，提升學習該課程的興趣和信心，學會科學思維的方法和習慣。不同掌握深度的知識點標注，方便學生認識課程的目標要求。2．增加了5個“前沿話題”。在主要章節後面增加了與章節內容相關的“前沿話題”，引入最新的前沿進展，不僅拓寬學生的視野，還有助於提升學生學習課程的熱情，通過學習前沿學科進展，可促使學生進一步閱讀最新進展文獻，激發其科學精神和創新精神。3．增加了化工熱力學重要詞彙中英對照表，不僅幫助學生掌握重要的化工熱力學專有術語的中英文表達，還方便學生學習和查閱英文文獻資料。4．調整了部分內容，化學反應熱和反應平衡調整到“主修部分”，環境熱力學調整到“輔修部分”，增加了“復雜化學反應平衡”和“蒸汽繫統”的內容。5．制做了微課視頻、教學課件、習題答案、知識圖譜和電子版附錄輔助讀者學習使用，可通過掃描封底二維碼獲取。書中所附的參考文獻是編寫本書時所參考引用過的，也包括近幾年國內外部分化工熱力學及相關分支的重要教材或著作。本書由夏淑倩、馬沛生、李永紅主編，具體修訂分工如下：夏淑倩負責第1～3、9～11章及附錄、知識圖譜和前沿話題，楊長生負責第4章，李永紅負責第5章，陳明鳴負責第6章，李國柱負責第7、8章。鋻於年齡原因，本書前兩版主編馬沛生教授未再參與第三版編寫，但在第三版修訂過程中給予了全程指導和審閱。在此對馬沛生教授多年來為本教材的奉獻表示誠摯的感謝！同時對參加前兩版教材編寫的常賀英老師致以誠摯的感謝！由於編者水平有限，書中難免有不當之處，歡迎讀者批評指正。編者2023年1月第一版前言化工熱力學是化學工程學科的一個重要分支，是化學工藝或化學工程學科的學生所必須掌握的，因此是化工類專業所必修的基礎技術課程。編者們在多年的教學實踐中，深感作為大學課程，化工熱力學教材不必追求過深，在不失熱力學體繫嚴謹性的同時，務必使學生能體會化工熱力學的實用性，目標是使學生有能力、有興趣在課堂內學習，並減少學生對本課程的“恐懼感”。考慮到近年精細化學品生產的發展及環境熱力學的興起，我們力圖使本教材成為一本使用面廣、更易為學生接受的“十五”教材。我們認為本書的特點如下。1．化工熱力學是一門非常實用的課程，雖然有許多抽像的概念和復雜的公式，但其目的絕不限於概念的推演和現像的解釋，更要定量地給出求取能量或組成的方法，因此在化工計算及設計中有直接的應用。本書注意講清應用，力圖使學生能更好理解及掌握抽像的概念及復雜的公式。2．化學品對環境的影響越來越顯著，成為社會發展的大問題，也成為化學工業能否發展的關鍵，同時也是化工進入環保企業的契機。環境熱力學已成為新的交叉學科，為使化工類學生能掌握環境熱力學知識，也使環境類學生能進入化工熱力學領域，本教材加入一章進行討論。3．化工熱力學已成功地在石油化工中建立了計算方法體繫，但對摩爾質量大的精細化學品尚很難推廣使用。本書增加了“化工熱力學在精細化工中的應用”一章，力圖闡明化工熱力學在精細化工應用中的特點及難點，希望使化工熱力學在化工各方面（包括制藥）都能應用，甚至擴大到環保工程專業。4．本書在處理模型與計算方法時，更偏重於計算方法，對所用的模型指出其來源，但不作微觀推導。總之，本書屬經典熱力學範圍，建議把分子熱力學的要求安排在碩士層面上。5．本書的重點在於能量計算及組成計算，中心內容是p-V-T關繫、逸度和活度、相平衡，書中也包括了少量工程熱力學內容，例如在化工中常用的制冷原理及計算。6．在化工熱力學計算中，一要模型，即提供計算方法及計算式；二要數據。如果缺乏數據，再好的計算方程也無法投入使用，因此化工數據已成為化工熱力學的一個重要分支。本書加入“物性數據的估算”這一章，介紹化工數據中的一些入門知識。7．考慮到反應熱的計算比化學平衡計算更重要，本書補入一些熱化學內容，壓縮了部分化學平衡內容。8．國內目前化工熱力學課時有所差異，還要考慮自學之用，所以本書編排有彈性。本書分為兩部分，前一部分（主修部分）共9章，後一部分（輔修部分）共3章，教師可按不同情況做出變動，若為少學時，大體上隻能學習主修部分。另有附錄，提供了約200個石油化工中常用物質的一批數據，相當於一個小型數據庫，除供本書的例題及習題使用外，還可供讀者在石油化工的熱力學計算中使用。9．本書除作為教材外，也可供化工設計院、研究院、化工廠、環境化工工作者作為熱力學方面的參考書。本書由馬沛生主編，並編寫第1章、第8章、第9章、第10章、第11章、第12章及附錄。夏淑倩編寫第2章、第3章及第5章的第5～7節。常賀英編寫第4章及第7章。陳明鳴編寫第5章的第1～4節及第6章。作者力圖使本書具有特色，有更大的適用面，有更強的實用性，易於理解，並為後繼課程（分離工程、反應工程等）打好基礎。但本書內容變化較大，加之作者水平有限，對化工熱力學的理解未必很深入，不當之處敬請批評指正。編者2005年3月第二版前言本書於2005年出版後，在多所高校中得到使用，在此深表謝意！同時我們感到應對本書及時修訂改進。在第二版中我們堅持通用型的特色，力圖使本書適用範圍更廣，並且更關注化工熱力學的實用性，特別是在化工計算或設計中的應用。書中調整了部分內容，例如增加了熱泵精餾，氨的t-s圖單位改用國際標準單位。最大的變化是增加了“化工熱力學的應用與展望”這一章，在此章中先總結了化工熱力學在化工計算及設計中的應用和重要性，然後對化工熱力學的發展進行了展望。增加這一章的目的是激發學生學習本課程的興趣，使學生更好地理解化工熱力學的精髓，也有助於學習與化工熱力學有關的課程，包括畢業設計及今後的專業工作。書中所附的“參考文獻”是編寫本書時所參考引用過的，也包括近幾年國內外部分化工熱力學及相關分支的重要教材或著作。本書由馬沛生、李永紅主編，馬沛生編寫第1、7、8、10、11、12章及附錄，李永紅編寫第3、9章，楊長生編寫第4章，夏淑倩編寫第2章，常賀英編寫第5章，陳明鳴編寫第6章。書中難免有不當之處，歡迎讀者批評指正。編者2009年4月

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