02485 化工熱力學大綱（高綱1821）

高綱1821

江蘇省高等教育自學考試大綱02485　化工熱力學　　　　　　　　　　　　　　　南京工業大學編（2019年）江蘇省高等教育自學考試委員會辦公室

Ⅰ 課程性質與課程目標一、課程性質和特點本課程是化學工程學的重要組成部分，是化工過程研究、開發和設計的理論基礎。本課程任務是以熱力學第一、二定律為基礎，研究化工過程各種能量的相互轉化及其有效利用，培養學生節約能源、合理利用能源的觀點；研究各種物理和化學變化過程中達到平衡的理論極限、條件和狀態，為分離過程、化學反應過程提供相平衡和化學平衡數據；使學生掌握熱力學性質數據的獲取方法（查閱文獻、建立數學模型、利用實驗數據等），培養學生樹立工程觀點，養成實事求是、科學嚴謹的工作作風，提高理論聯系實際的工程實踐能力；為學習后續課程及畢業后參加實際工作奠定基礎。二、課程目標本課程學完后，應考者應初步具備運用熱力學定律和有關理論知識，對化工過程進行熱力學分析的基本能力；應掌握化學工程設計和研究中獲取熱力學數據的方法，對化工過程進行相關計算的方法，具備為學習后續課程和從事化工類專業實際工作的熱力學理論基礎。三、與相關課程的聯系與區別本課程以“高等數學”、“化工工藝學”、“物理化學”、“化工原理”、“計算機語言”等為先修課程。要求學生在學完“物理化學”，對化工廠有了初步認識（經過化工廠認識實習或化工廠實際工作），并在具備化工過程和設備初步知識（至少學完“化工原理”上冊）的基礎上進行學習。四、課程的重點和難點重點：P-V-T關系及其計算；熱力學第一定律和第二定律；溶液熱力學，相平衡；熱功計算；能量合理利用；蒸汽動力循環和制冷循環。難點：偏摩爾性質的有關計算；中低壓氣液平衡的計算方法。Ⅱ 課程內容與考核要求第一章 緒論一、考核知識點1.化工熱力學研究內容2.化工熱力學研究方法二、考核要求1.化工熱力學研究內容領會：（1）熱力學是研究能量、能量轉化以及與能量轉化有關的熱力學性質間相互關系的科學；（2）化工熱力學是研究熱力學原理在化工過程中的應用，它涉及二方面問題：平衡研究和過程的熱力學分析。2.化工熱力學處理問題的方法了解：熱力學的處理問題方法：實際過程 = 理想模型 + 校正第二章 流體P—V—T關系一、考核知識點1.純流體PVT行為2.狀態方程3.對比態原理及普遍化關系4.真實氣體混合物P—V—T關系二、考核重點1.立方型狀態方程2.以偏心因子ω為第三參數的普遍化關系三、考核要求1.純流體PVT行為識記：（1）純物質PV圖、PT圖及圖中點、線和區域意義；（2）臨界點和三相點意義、超臨界區（流相區）特性。2.狀態方程了解：狀態方程分類和價值。識記：（1）理想氣體狀態方程、氣體通用常數R的意義和單位； （2）Virial Eq(維里方程)：壓力多項式、體積多項式、維里方程的截斷式； （3）立方型狀態方程（van der Waals Eq和Redlich–Kwong Eq）。領會：（1）立方型狀態方程中參數a，b意義，維里系數B，C意義； （2）立方型狀態方程根的求解方法； （3）立方型狀態方程三個根的意義。3.對比態原理和普遍化關系識記：對比態原理。領會：（1）偏心因子ω定義、物理意義和計算； （2）以偏心因子ω為第三參數計算壓縮因子的方法：普遍化第二維里系數法和普遍化壓縮因子法。4.真實氣體混合物P—V—T關系了解：（1）真實氣體混合物P—V—T關系簡便計算方法：虛擬臨界參數法和Kay規則。 （2）狀態方程的混合規則，混合物的第二維里系數與混合物的立方型狀態方程。第三章 純流體熱力學性質一、考核知識點1.熱力學性質間關系2.焓變和熵變計算3.純流體熱力學性質和熱力學圖表二、考核重點1.熱力學性質焓和熵的計算、剩余性質及其應用2.T—S圖及水蒸氣特性表意義和應用三、考核要求1.熱力學性質間關系識記：（1）單相流體系統基本方程； （2）點函數（狀態函數）間的數學關系式；（3）麥克斯韋關系式。了解：dS方程、dH方程和dU方程。2.焓變和熵變計算領會：（1）剩余性質MR定義； （2）HR和SR基本計算式； （3）由HR和SR計算焓H和熵S的方法，標準態選取； （4）由普遍化第二維里系數法和普遍化壓縮因子法計算HR和SR以及H和S（△H和△S）的方法。3.純流體熱力學性質及熱力學圖表識記：（1）單組分系統氣液兩相混合物熱力學性質計算方法； （2）干度X的意義。領會：（1）T—S圖意義及應用； （2）常見化工過程物質狀態變化在T—S圖上的表示方法； （3）用T—S圖數據計算過程熱和功以及熱力學性質的變化值； （4）水蒸汽表中各欄目意義及關系，水蒸汽表使用方法。第四章 溶液熱力學性質一、考核知識點1.均相敞開體系熱力學性質間關系式2.偏摩爾性質3. 混合變量(混合過程熱力學性質變化)4.逸度和逸度系數4.理想溶液和標準態6. 活度、活度系數和超額性質(過量性質)7.活度系數模型（活度系數與組成關系式）二、考核重點1.偏摩爾性質2.逸度和逸度系數3.理想溶液與非理想溶液4. 活度、活度系數和超額自由焓三、考核要求1.均相敞開體系熱力學性質間關系式領會：（1）單相流體系統組成變化時熱力學性質間關系式：d(nH)，d(nV)，d(nG)，d(nA)表達式及應用范圍； （2）化學位μi定義式（各種形式）。2.偏摩爾性質4. 逸度和逸度系數（一) 純物質逸度和逸度系數領會：（1）純物質逸度、逸度系數完整定義和物理意義； （2）純氣體逸度計算方法；（3）純液體逸度計算思路。（二）混合物逸度和逸度系數領會：（1）混合物中組分i逸度和逸度系數定義； （2）混合物中組分i逸度和逸度系數基本計算式。（3）混合物(整體)逸度和逸度系數定義；了解：（1）混合物（整體）的逸度與混合物中組分i逸度的關系，溫度和壓力對逸度的影響。5. 理想溶液領會：（1）研究理想溶液的目的； （2）理想溶液中組分i的逸度與i組分在標準態下的逸度f0i的關系，二種標準態（表示兩種理想溶液模型）； （3）理想溶液模型的意義；（4）理想溶液的特點。6.活度、活度系數和超額自由焓領會：（1）活度和活度系數定義、物理意義和應用；（2）超額性質ME和偏摩爾超額性質定義和物理意義； （3）ME與混合過程超額性質變化ΔME以及混合性質變化ΔM的關系； （4）GE物理意義，GE與活度系數γi關系式及應用。7.活度系數與組成關聯式，由實驗數據確定活度系數領會：（1）非理想溶液的GE模型：正規溶液模型和無熱溶液模型；（2）常用活度系數與組成關聯式：Redlich – Kister經驗式，Wohl型方程及其常用形式（Margules 方程和Van Laar 方程）；應用：（1）確定活度系數與組成關聯式中參數的簡便方法：由一組精確的氣液平衡實驗數據，由恒沸點下氣液平衡數據以及由無限稀釋活度系數； （2）由少量實驗數據確定全濃度范圍的活度系數。了解：（1）局部組成概念； （2）Wilson 方程的引入和應用； （3）Wilson 方程優點和局限性。第五章相平衡一、考核知識點1.平衡判據與相律3.汽液平衡基本問題4.汽液平衡計算4.汽液平衡數據的熱力學一致性檢驗二、考核重點 汽液平衡基本問題及中低壓下汽液平衡計算三、考核要求1.平衡判據與相律領會：（1）多相多組分體系相平衡判據及其最常用形式： （2）結合復習物理化學的熱力學部分進一步掌握相律及其應用。2.汽液平衡基本問題了解：（1）相變化過程需解決的兩類問題：由平衡的溫度壓力計算平衡各相組成及由平衡各相組成確定平衡的溫度壓力； （2）完全互溶二元體系汽液平衡相圖； （3）汽液平衡兩種常用的熱力學處理方法：活度系數法和狀態方程法。3.汽液平衡計算領會：工程上常見汽液平衡問題的五種類型：泡點溫度計算、泡點壓力計算、露點溫度計算、露點壓力計算和閃蒸計算。應用：掌握常壓或低壓下汽液平衡計算方法：完全理想系（氣相為理想氣體、液相為理想溶液）和部分理想系（氣相為理想氣體、液相為非理想溶液）汽液平衡計算法。4.汽液平衡數據的熱力學一致性檢驗了解：（1）熱力學一致性檢驗的基本方程Gibbs – Duhem 方程及其活度系數形式； （2）用面積法檢驗恒溫VLE數據和恒壓VLE數據。第六章化工過程能量分析一、考核知識點1.熱力學第一定律和能量平衡方程2.熱力學第二定律，熱功的不等價性和熵3.理想功、損失功及熱力學效率4.有效能及其計算二、考核重點1.穩流系統能量平衡方程及其應用2.熱功的不等價、熵增原理3.理想功和損失功三、考核要求1.熱力學第一定律和能量平衡方程領會：（1）能量守恒和轉化原理； （2）敞開體系能量平衡方程； （3）能量平衡方程的不同形式； （4）穩流體系能量平衡方程的簡化及應用。3.熱力學第二定律，熱功轉換的不等價性和熵領會：（1）熱力學第二定律原理，熱功轉化的不等價性：功全部能變化成熱，熱只能夠部分變為功，熱變功的最大效率； （2）結合復習物理化學熱力學部分，進一步領會克勞修斯不等式、熵定義、熵增原理和熵差計算。4.理想功和損失功領會：（1）理想功定義和物理意義，“完全可逆”的含義；（2）損失功定義和物理意義，損失功與過程不可逆性關系； （3）熱力學效率定義和用途。應用：穩流過程的理想功和損失功的計算。5. 有效能領會：（1）能量存在品質（級別）差異； （2）有效能的意義，基準態； （3）有效能和理想功的關系； （4）穩流物系有效能； （5）功的有效能，熱量有效能。了解：有效能效率。第七章壓縮、膨脹、蒸汽動力循環與制冷循環一、考核知識點1.蒸汽動力循環2.節流膨脹與做外功絕熱膨脹3.制冷循環二、考核重點1.朗肯循環2.壓縮制冷循環三、考核要求1.蒸汽動力循環領會：（1）理想朗肯循環裝置、工作原理和循環工質狀態變化； （2）循環過程熱和功、熱變功的效率、等熵效率及汽耗率的意義和計算； （3）提高朗肯循環效率和降低汽耗率的途徑：使用回熱循環和再熱循環。應用：用T—S圖表示循環工質各狀態點，用蒸汽表數據進行循環過程有關計算。2.氣體絕熱膨脹的制冷原理領會：（1）節流膨脹降溫（制冷）原理、焦耳—湯姆遜系數和溫度降； （2）對外做功絕熱膨脹降溫（制冷）原理、等熵膨脹效應系數和溫度降； （3）（1）和（2）兩種降溫（制冷）方法比較。（深度冷凍循環不作要求）3.制冷循環領會：（1）單級蒸汽壓縮制冷循環裝置、工作原理和工作參數（蒸發溫度、冷凝溫度和過冷溫度）的確定，制冷系數的意義； （2）制冷劑選擇要求。（多級制冷不要求）應用：由制冷循環工作參數及制冷量確定制冷劑循環量、制冷系數和功耗，在T—S圖上表示循環工質各狀態點。了解：（1）吸收制冷循環裝置和工作原理； （2）熱泵意義和熱能利用系數（供熱系數）計算。Ⅲ 關于大綱的說明與考核實施要求一、自學考試大綱的目的和作用課程自學考試大綱是根據專業自學考試計劃的要求，結合自學考試的特點而確定。其目的是對個人自學、社會助學和課程考試命題進行指導和規定。課程自學考試大綱明確了課程學習的內容以及深廣度，規定了課程自學考試的范圍和標準。因此，它是編寫自學考試教材和輔導書的依據，是社會助學組織進行自學輔導的依據，是自學者學習教材、掌握課程內容知識范圍和程度的依據，也是進行自學考試命題的依據。二、課程自學考試大綱與教材的關系課程自學考試大綱是進行學習和考核的依據，教材是學習掌握課程知識的基本內容與范圍，教材的內容是大綱所規定的課程知識和內容的擴展與發揮。課程內容在教材中可以體現一定的深度或難度，但在大綱中對考核的要求一定要適當。大綱與教材所體現的課程內容應基本一致；大綱里面的課程內容和考核知識點，教材里一般也要有。反過來教材里有的內容，大綱里就不一定體現。（注：如果教材是推薦選用的，其中有的內容與大綱要求不一致的地方，應以大綱規定為準。）三、關于自學教材《化工熱力學》（第二版），馮新、宣愛國、周彩榮主編，化學工業出版社，2018年版。四、關于自學要求和自學方法的指導要全面系統的學習教材內容，注意掌握熱力學基本概念原理、基本知識和基本方法及其應用，注意這些概念原理相互關系和各部分內容的聯系。1、 本課程內容大致可分為四大塊（1）流體PVT關系和純流體熱力學性質。流體PVT關系是流體熱力學性質計算的基礎（PVT是可直接測量性質，其它熱力學性質可由PVT數據計算得到）。純流體熱力學性質著重討論焓(H)和熵(S)。 H是與化工過程中常見的穩流過程能量平衡相聯系，S是與熱力學第二定律緊密聯系的，而H和S又是計算其它熱力學性質的基礎。這一部分內容是學習熱力學定律及應用，溶液熱力學性質及相平衡等內容的基礎。（2）熱力學定律及應用。這部分內容涉及到能量平衡方程、熵增原理、理想功、損失功和有效能等重要概念原理以及這些概念原理在化工過程熱功計算、化工過程熱力學分析等方面應用。蒸汽動力循環和制冷循環是其具體應用。 （3）溶液（均相流體混合物）熱力學性質。上述（1）和（2）兩部分著重于討論純物質，對混合物涉及較少，而化工過程大量遇到的是多組分混合物。混合物熱力學性質研究是極復雜的問題。本課程著重討論非電解質溶液、二元體系，即使這樣也是相當復雜的。本部分內容涉及到溶液熱力學的很多重要概念，學習過程中應該注意其定義、物理意義、相互關系、計算和應用。（4）相平衡。這部分是在上述三部分內容的基礎上，討論化工生產中常見的相平衡問題。它是熱力學與傳質過程、分離過程和反應工程間聯系的紐帶，是化工熱力學研究和應用比較活躍的領域。學習中應首先把握平衡條件、平衡判據、相律及其應用，在此基礎上掌握中低壓下汽液平衡計算。2、學習時應結合物理化學的熱力學部分的內容，準確理解熱力學基本概念注意領會流體PVT特性、流體熱力學性質、熱力學定律原理和溶液熱力學性質等部分的基本熱力學概念，特別是熱力學第二定律原理和溶液熱力學性質兩部分，其熱力學概念多，內容抽象是本課程學習的難點和重點。3、學習熱力學基本概念、基本原理、基本知識和基本方法的目的在于應用應用于解決化工生產中實際問題。在應用中又加深了對熱力學基本原理等的理解。本課程中能量平衡方程、過程熱力學分析、蒸汽動力循環和制冷循環是熱力學定律的應用；相平衡和化學平衡是溶液熱力學性質等熱力學原理的應用。4、化工熱力學學習，一定要結合例題分析和習題練習進行要將教材中有關例題弄懂。可以先弄清題設要求，思考解題方法，試做，再與題解對照。還要從參考書中選擇部分習題自己獨立練習。通過這些例題和習題，可加深對熱力學概念原理的理解，并初步懂得如何應用熱力學方法和原理解決化工過程實際問題。“化工熱力學導論習題解答”（J.M.史密斯著，金克新譯，化工出版社，1986年版）是一本較完整習題解，可選擇部分參看。5、學習化工熱力學，應注意掌握熱力學處理方法的特點（1）以理想態為標準的處理方法。化工熱力學是研究實際生產過程能量關系的,而實際過程是極復雜的,化工熱力學研究中常用相應理想條件下過程為實際過程的比較標準。即研究理想條件下結果，研究理想條件下結果與實際的差異（校正），而實際結果等于理想結果加校正。例如：實際氣體PVT對理想氣體PVT關系校正用壓縮因子，實際溶液性質對理想溶液性質校正用超額自由焓GE或活度系數γ等。（2）從純物質性質推算混合物性質以及從二元體系熱力學數據推算多元體系熱力學數據的方法。純物質數量很大，而混合物數量較純物質數量又龐大得多，為減少研究工作量，化工熱力學往往從研究純物質性質入手，考慮不同分子間相互作用，混合規則等因素推算混合物性質數據。同時利用少量混合物實測數據驗證所提出的推算方法是否可靠。同樣，在研究溶液時，從研究最簡單的二元溶液入手，利用合適的溶液模型，推算多元溶液的熱力學數據。（3）從一種（或數種）熱力學性質推算另一種（或另數種）熱力學性質的方法。熱力學關系式是應用熱力學基本定律，經過嚴格數學推算得到的，是嚴謹可靠的。各種熱力學性質之間存在著密切聯系。因此，可由研究一種（或數種）熱力學性質入手，研究熱力學性質相互關系，推算其它的熱力學性質。例如：利用PVT數據推算H，S數據，利用溶液的PVT與組成數據，可推算超額性質和平衡數據等。本大綱的課程基本要求是依據專業考試計劃和專業培養目標而確定的。課程基本要求還明確了課程的基本內容，以及對基本內容掌握的程度。基本要求中的知識點構成了課程內容的主體部分。因此，課程基本內容掌握程度、課程考核知識點是高等教育自學考試考核的主要內容。為有效地指導個人自學和社會助學，本大綱已指明了課程的重點和難點，在章節的基本要求中一般也指明了章節內容的重點和難點。六、對社會助學的要求1、幫助應考者準確了解熱力學基本概念，引導應考者正確地應用熱力學方法和原理，分析解決化工過程實際問題。2、注意抓住各章節重點，抓住教材各部分內容的聯系，同時要兼顧一般內容。 3、解決學習中疑難問題，糾正錯誤的概念、方法和結論。本課程中熱力學第二定律、熵增原理、理想功以及溶液熱力學性質等內容為難點，應注意加強輔導。 4、通過例題講解、習題分析和課堂討論加深同學對熱力學基本概念、原理和方法的理解，抓住重點和難點內容，澄清錯誤概念，提高分析問題和解決問題的能力。七、命題要求1、本大綱各章所規定的基本要求、知識點及知識點下的知識細目，都屬于考核的內容。考試命題既要覆蓋到章，又要避免面面俱到。要注意突出課程的重點、章節重點，加大重點內容的覆蓋度。2、命題不應有超出大綱中考核知識點范圍的題目，考核目標不得高于大綱中所規定的相應的最高能力層次要求。命題應著重考核自學者對基本概念、基本知識和基本理論是否了解或掌握，對基本方法是否會用或熟練。不應出與基本要求不符的偏題或怪題。3、要合理安排試題的難易程度，試題的難度可分為：易、較易、較難和難四個等級。每份試卷中不同難度試題的分數比例一般為：易占20%，較易占30%，較難占30%，、難占20%。試題的難易度與能力層次不是同一個概念，在各能力層次中都會存在不同難易的問題。4、課程考試命題的主要題型一般有選擇題、填空題、名詞解釋題、簡答題和計算題。附錄 題型舉例（以本課程試題為例）一、選擇題（在下列備選答案中選取一個最合宜的答案）1．在不可逆絕熱過程中體系熵的變化是 （ ）A 大于零 B 小于零 C 等于零 D 不能確定 二、填空題（將正確答案填入空檔）1．偏心因子ω的定義式是__________。 三、簡答題 1．試對節流膨脹（不做外功絕熱膨脹）與等熵膨脹（做外功絕熱膨脹）進行比較。 四、計算題（要求對題目作簡單分析，列出主要計算公式、計算數據、主要計算過程及計算結果、結論）1．乙醇（1）—甲苯（2）二元體系的汽液平衡實測結果為：P=183mmHg，t=45℃，X1=0.300，Y1=0.634。已知45℃時，蒸汽壓PS1=173mmHg，PS2=75.4mmHg。汽相可以可以看作理想氣體混合物。計算此條件下： 1.組分1和2 的活度系數γ1，γ2； 2．溶液的GE和ΔG； 3．如溶液是正規溶液，其ΔS和ΔH是多少； 4．如溶液中適合用Van Laar方程關聯，求Van Laar方程的參數A12，A21； 5．此體系是否能形成共沸物？如能形成共沸物，請估算45℃下共沸物組成和共沸點處平衡壓力是多少？ Van Laar 方程的形式是：lnγ1=A12/[1+A1 2X1/（A2 1X2）]2 lnγ2=A21/[1+A2 1X2/（A1 2X1）]2 Van Laar方程參數的計算式是：A12=lnγ1[1+X2lnγ2/(X1lnγ1)]2 A21=lnγ2[1+X1lnγ1/(X2lnγ2)]2