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Unit 11 Chemical and Process Thermodynamics 化工热力学 在投入大量的时间和精力去研究一个学科时，有理由去问一下以下两个问题： 该学科是什 么？（研究）它有何用途？关于热力学，虽然第二个问题更容易回答，但回答 第一个问题有必要对该学科较深入的理解。（尽管）许多专家或学者赞同热力 学的简单而准确的定义的观点（看法）值得怀疑，但是还是有必要确定它的定 义。然而，在讨论热力学的应用之后，就可以很容易完成其定义 1．热力学的应用 热力学有两个主要的应用，两者对化学工程师都很重要。 （1）与过程相联系的热效应和功效应的计算，以及从过程得到的最大功或驱 动过程所需 的最小功的计算。 （2）描述处于平衡的系统的各变量之间的关系的确定。 第一种应用由热力学这个名词可联想到，热力学表示运动中的热。直接利用第 一和第二定 律可完成许多（热效应和功效应的）计算。例如：计算压缩气体的功，对一个 完整过程或某一过程单元的进行能量衡算，确定分离乙醇和水混合物所需的最 小功，或者（evaluate）评估一个氨合成工厂的效率。热力学在特殊体系中的 应用，引出了一些有用的函数的定义以及这些函数和其它变量（如压强、温度、 体积和摩尔分数）关系网络的确定。

实际上，在运用第一、第二定律时，除非 用于评价必要的热力学函数变化已经存在，否则热力学的第一种应用不可能实 现。通过已经建立的关系网络，从实验确定的数据可以计算函数变化。除此之1外， 某一体系中变量的关系网络，可让那些未知的或者那些难以从变量（这些变量 容易得到或较易测量）中实验确定的变量得以计算。例如，一种液体的汽化热， 可以通过测量几个温度的蒸汽压和几个温度下液相和汽相的密度得以计算；某 一化学反应中任一温度下的可得的最大转化率，可以通过参与该反应的各物质 的热量法测量加以计算。 2. 热力学的本质 热力学定律有这经验的基础或实验基础，但是在描述其应用时，依赖实验测量 显得很明显 化学工程与工艺专业英语第十一单元化工热力学（stand out 突出）。因此， 热力学广义上可以定义为：拓展我们实验所得的体系知识的一种手段（方法）， 或定义为：观察和关联一个体系的行为的基本框架。为了理解热力学，拥有实 验的观点有必要，因为，如果我们不能对研究的体系或现象做出物理上正确的 评价，那么热力学的方法就无意义。我们应该要经常问问如下问题：怎样测量 这一特殊的变量？怎样计算以及从哪一类的数据计算一个特殊的函数。

由于热 力学的实验基础，热力学处理的是宏观函数或大量的物质的函数，这与微观的 函数恰恰相反，微观函数涉及到的是组成物质的原子或分子。宏观函数要么可 以直接测量，要么可以从直接测量的函数计算得到，而不需要借助于某一具体 的理论。相反，尽管（while）微观函数最终是从实验测量得以确定，但是它 们的真实性取决于用于它们计算时的特殊理论的有效性。因此，热力学的权威 性在于：它的结果与物质的理论无关，倍受尊敬，为大家大胆地接受。除了与 热力学结论一致的必然性以外，热力学有着广泛的应用性。因此，热力学形成 了许多学科中的工程师和科学家的教育中不可分割的部分。尽管如此，因为每2门科学都只局限于（focus on）关于热力学方面的较少应用，所以其全貌常被 低估。实际上，在明显的（可观察到）可再现的平衡态中存在的任何体系，都 服从与热力学方法。除了流体、化学反应系统和处于相平衡（化学工程师对这 些十分感兴趣）之外，热力学也成功适用于有表面效应的系统、受压力的固体 以及处于重力场、离心力场、磁场和电场的物质。通过热力学，可以被确定用 于定义和确定平衡的位能，并将之定量化。位能也可以确定一个体系移动的方 向以及体系达到的终态，但是不能提供有关到达终态所需要的时间的信息。

在统计力学也就是统计物理或热力学中分子运动论表明能量是以分子包括原子和其它微粒是以它们不停的振动的形式存在的,也即热运动的形式存在的.这就是物体的温度.宇宙星体也有温度而且恒星温度更高.能量存在的另一种形式就是电磁辐射,这也包括所谓的宇宙背景辐射.当然还有基本粒子的运动和能量.难道这些都能离开物质单独存在吗。美国国家工程院认为，陈刚教授因其首次打破被公认为物体间热力传导基本法则的“黑体辐射定律”公式，证实物体极度近距时的热力传导，可以高到定律所预测的千倍，而被授予美国国家工程院院士称号。Δh＝反应物断键所吸收的能量总和－生成物成键所释放的能量总和。

人们将能量守恒视为一种重要的努力成果， 但是事实上， 使能量守恒不需要花任何努力— — 能量本身就是守恒的。因为第一定律没有 区分各种各样能量的形式，所以从第一定律所得到的结论是有限的。由往复泵 引入的轴功会以热量流向冷凝器的形式离开蒸馏塔，与在再沸器引入的热一样 容易。在试图确定过程的效率时，一些工程师总掉入将各种形式的能量一起处 理的陷阱。这种做法明显是不合理，因为各种能量形式有着不同的费用。第二 定律第二定律应用于热转变为功的循环，有多种不同的描述。至于这一点，一 种更 加普通的描述是需要的：从一种形式的能量到另一种形式的能量的转换，总是 导致质量上总量的损失。另一种描述为：所有系统都有接近平衡（无序）的趋 势。这些表达方式指出了在表达第二定律时的困难之处。如果不定义另一个专 门描述质量或无序的词语，第二定律的表达就不能令人满意。这个专用名词为 熵。这个状态函数对流体、物质或系统中的无序程度进行了定量化。绝对零熵 值定义绝对零度时纯净的、晶体固体的状态。每一个分子都由其他的以相当有 序结构的相同的分子所包围。运动、随意、污染、不确定性，这一切都增加了 混乱度，因此对熵做出了贡献。

相反，不论是透明宝石，还是纯净化学产品， 还是清洁的生活空间，还是新鲜的空气和水，（都是属于有序状态）化学工程与工艺专业英语答案，有序是 有价值的。有序需要付出很高的代价，只有通过做功才得以实现。我们很多工 作都花费在家里、车间和环境中创造或恢复有序状态。环境中较高的熵值是较4高的生产费用的具体化表现。每一种生产过程的目的都是，利用将混合物分离 为纯净物、减小我们知识的不确定性、或是从原料创造（works of art）艺术 品以减小熵值。总之，从将原料转变为产品的过程中，熵值不断减小。然而， （inasmuch as）因为随着系统接近平衡，熵的增加是自发的趋势，所以减少 熵值是艰难的工作（struggle）。生产过程所需熵减的驱动力同时伴随着宇宙 其余部分熵的剧增。一般说来，这种熵的增加在同一工厂内不断持续下去，因 此这种造成了产品熵的减小。反过来（whereas 而，却，其实，反过来），熵 减存在于原料向产品的转化过程。燃料、电、空气以及水向燃烧产品、废水和 无用的热量的形式的转化可表示熵值的大大增加。正象图3-1 中中间部分描述 为第一定律一样，图中的底线部分描述了第二定律。离开一个过程的所有的物 流的熵值的总和， 总是超过进入该过程的物流的熵值的总和。

匀变速直线运动的图像． 专题：牛顿运动定律综合专题． 分析：速度时间图线的斜率表示加速度，根据斜率的变化判断加速度的变化．根据牛顿第二定律判断阻力的变化． 解答： 解：a、在0～t0时间内，图线的斜率不变，则加速度不变，在t0～3t0时间内，图线斜率逐渐减小，则加速度逐渐减小．故a正确． b、打开降落伞后，加速度逐渐减小，根据牛顿第二定律得，f﹣。**若电子的动能是它的静止能量的两倍，则：，故：，由相对论公式，有解得德布罗意波长为：**（4632）如果电子被限制在边界x与x+x之间，则电子动量x分量的不确定量近似地为______，（不确定关式，普朗克常量）****（4633）在如图所示一维势阱中的粒子可以有若干能态，如果势阱的宽度缓慢地减少，则（Ａ）每个能级的能量减小。分析：速度时间图线的斜率表示加速度，根据斜率的变化判断加速度的变化．根据牛顿第二定律判断阻力的变化．解答：解：a、在0～t0时间内，图线的斜率不变，则加速度不变，在t0～3t0时间内，图线斜率逐渐减小，则加速度逐渐减小．故a正确．b、打开降落伞后，加速度逐渐减小，根据牛顿第二定律得，f-mg=ma，则f=mg+ma，知阻力逐渐减小．故b正确．c、在t0～3t0的时间内，若做匀减速直线运动由v1减速到v2，则平均速度为v1+v22，根据图线与时间轴围成的面积表示位移，知变减速运动的位移小于匀减速直线运动的位移，则.v＜v1+v22．故c错误．d、若第一个伞兵在空中打开降落伞时第二个伞兵立即跳下，由于第一个伞兵的速度先大于第二个伞兵的速度，然后又小于第二个伞兵的速度，所以空中的距离先增大后减小．故d正确．本题选错误的，故选c．点评：解决本题的关键知道速度时间图线斜率和图线与时间轴围成的面积表示的含义，结合牛顿第二定律进行求解．。

第三定律热力学第三定律规定了熵的绝对零 值，描述如下：对于那些处在绝对零度的完美晶体的变化来说，总的熵的变化 为零。该定律使用绝对值来描述熵。 Unit 12 what do we mean by transport phenomena ? 传递现象是工程科学三个典型领域系统性和综合性研究的总称：能量或 热量传递，质量传递或扩散，以及动量传递或流体力学。. 当然，热量和质量 传递在流体中经常发生，正因如此一些工程教育家喜欢把这些过程包含在流体 力学的范畴内。由于传递现象也包括固体中的热传导和扩散，因此，传递现象 实际上比流体力学的领域更广。传递现象的研究充分利用描述传热，传质，动 量传递过程的方程间的相似性，这也区别于流体力学。这些类推 (通常被这么 叫)常常可以与传递现象发生的物理机制间的相似性关联起来。因此，一个传 递过程的理解能够容易促使其他过程的理解。而且，如果微分方程和边界条件 是一样的，只需获得一个传递过程的解决方案即可，因为通过改变名称就可以 用来获得其他任何传递过程的解决方案。 必须强调,虽然有相似之处 ,也有传递过程之间的差异 ,尤其重要的是运输 动量(矢量)和热或质量(标量). 然而,系统地研究了相似性传递过程之间的相 似性,使它更容易识别和理解它们之间的差别。

1． 怎么研究传递过程？ 为了找出传递过程间的相似性，我们将同时研究每一种传递过程——取代 先研究动量传递，再传热，最后传质的方法。除了促进理解之外，对于不使用 在其他教科书里用到的顺序法还有另一个教学的原因：在三个过程中，包含在6动量传递研究中的概念和方程对初学者来说是最难以理解并使用。因为在不具 有有关动量传递的知识前提下一个人不可能完全理解传热和传质，在顺序法的 情况下他就被迫先研究最难的课程即动量传递。另一方面，如果课程同时被研 究，通过参照有关传热的熟悉课程动量传递就变得更好理解。而且，平行研究 法可以先研究较为简单的概念，再深入到较难和较抽象的概念。我们可以先强 调所发生的物理过程而不是数学性步骤和描述。例如，我们将先研究一维传递 现象，因为它在不要求矢量标注下就可以被解决，并且我们常常可以使用普通 的微分方程代替难以解决的偏微分方程。加上传递现象的许多实际问题可以通 过一维模型解决的这样一个事实，这种处理做法也是合理的。 2. 为什么工程师要研究传递现象？ 因为传递现象这个学科牵扯到自然界定则，一些人就把它划分为工程的 一个分支。正因如此，对于那些关心工厂和设备设计和操作经济性的工程师而 言，十分应该探知在实际中传递现象如何起到价值作用。

对于那些问题有两种 通用型答案。第一种要求大家认识到传热，传质和动量传递发生在许多工程设 备中，如热交换器，压缩机，核化反应器，增湿器，空气冷却器，干燥器，分 离器和吸收器。这些传递过程也发生在人体内以及大气中污染物反应和扩散的 一些复杂过程中。如果工程师要知道工程设备中正在发生什么并要做出能达到 经济性操作的决策，对主导这些传递过程的物理定律有一个认识很重要。 第二种答案是工程师需要能够运用自然定律的知识设计包含这些过程的 工艺设备。要做到这点，他们必须能够预测传热，传质，或动量传递速率。例 如，考虑一个简单的热交换器，也就是一根管道——通过维持壁温高于流经管 道的流体温度来加热流体。热量从管壁传递到流体的速率取决于传热系数，传 热系数反过来取决于管的大小，流体流速，流体性质等。传统上传热系数是在7耗费和耗时的实验室或模范工厂的测量之后获得并且通过使用一维经验方程 关联起来。经验方程是适合一定数据范围的方程，它们不是建立在理论基础上 而且在应用数据的范围外不能被精确使用。 使用在传递现象中比较不耗费和通常较为可靠的方法是从以自然定律为 基础的方程中预测传热系数。预测的结果将由一个研究工程师通过解一些方程 获得（常常在电脑上）设计工程师再使用由研究工程师获得的关于传热系数的 方程。