国内外化工类核心课程《化工热力学》教材及教学比较
(调研报告3)
钟理 董新法*
（华南理工大学 化学与化工学院）
[摘要]本调研报告介绍了国内外《化工热力学》课程使用的教材，重点对J. M. Smith, H.C Van Ness, M.M. Abbott编写、目前美国大学使用最普遍的Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics教材及教学内容与我国高校目前使用最广、由马沛生主编的十一五《化工热力学》教材及教学内容进行了对比分析，为国内化学工程专业《化工热力学》课程教学计划的制定、修订以及教学改革提供参考。
1 前言
《化工热力学》是化学工程专业核心课程之一，也是一门最重要的专业基础理论课及化学工程的一个重要分支。通过该课程的学习，本科生逐步树立工程观点，并能应用化工热力学的理论解决化学工程技术领域中的实际问题。然而，该课程的特点是概念抽象难懂，不易理解，公式数量多且推导复杂，同时计算繁琐，课程教学内容既涉及热力学的基本理论，也涉及工程问题。本科生普遍认为它是化学工程专业中最难学的课程之一。《化工热力学》通常是本科生在学完《物理化学》、《高等数学》等基础课程之后开设的，国内外大学一般将该课程安排在大三下学期或大四上学期，为后续专业课程如《分离工程》、《化学反应工程》和《化工设计》与毕业设计和论文奠定基础。它在化学工程专业的课程教学链中起着承上启下作用，承接着由基础课到专业课过渡的桥梁。本科生通常在大一到大二主要接触的课程都属于基础课，例如，高等数学、物理学、无机化学、英语等课程的学习方法与高中差别不大，大三后开始学习《化工热力学》等专业基础课，该课程除了讲授热力学基本原理外，重点是将热力学理论应用到化工生产中，涉及复杂多变的化学工程问题，采用的是半理论、半实验研究方法并与数学模型相结合，与本科生大一与大二学习的基础课需要用严密的数学分析或逻辑推理有明显差异。工程学科是涉及工程实际问题，而基础学科涉及的具有严密分析及严格逻辑推理问题，这是理论课程与工程课程的重要区别，也是本科生开始较难掌握的课程。国内外《化工热力学》课程采用不同的教材，教学内容及学习方法也有差异。本文将结合作者在美国及加拿大大学访问及学习经历，并结合国内大学本科生《化工热力学》的教学，对国内外该课程使用的教材与教学内容及方法等进行对比，以便为我国高等教育化工类核心课程教材建设与教学改革做些基础工作。
2 国内外化工热力学教材及教学内容对比
《化工热力学》是所有高校化学工程专业的学生必修核心课程之一，国内不同高校和出版社相继出版了十多种《化工热力学》教材，有代表性的主要有
1、郑丹星主编，化工热力学，中国石化出版社，2000；
2、陈钟秀，顾飞燕，胡望明编，化工热力学，化工出版社，2001。
3、童景山主编，化工热力学，清华大学出版社，1995。
4、李挌主编，化工热力学，石油化工出版社，1990；
5、张乃文，陈嘉宾，于志家主编，化工热力学，大连理工大学出版社，2006。
6、陈志新，蔡振云，胡望明主编，面向21世纪教材《化工热力学》，化工出版社，2005；
7、高光华，童景山编著，化工热力学（第2版），清华大学出版社，2007；
8、马沛生主编，普通高等教育“十五”国家级规划教材《化工热力学》，化工出版社，2005等教材。
目前由马沛生主编的《化工热力学》教材使用较广。
国外《化工热力学》教材版本较多，其中有
1、Thomas E Daubert, Chemical Engineering Thermodynamics, McGraw-Hill International Edition, New York, USA, 1985.
2、Stephen A Newman, Chemical Engineering Thermodynamics, Ann Arbor Science Publisher, Michigan, USA, 1983.
3、B. G. Kyle, Chemical and Process Thermodynamics, Prentice-Hall Inc. New Jersey, USA, 1984. 4、J. M. Smith, H.C Van Ness, M.M. Abbott. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 6th edition, McCraw-Hill Book Company, New York, USA，2001.
其中以J. M. Smith等编写的教材最具代表性，该教材从1949年第一版问世，现已出版到第六版，成为北美大学本科生使用最广泛的热力学教材，它也被我国作为国外优秀《化工热力学》教材引入。该教材是美国化学工程专业的系列丛书之一(Chemical Engineering Series)，由美国最重要的的教材出版公司McCraw-Hill Book Company出版，美国高校化工类课程教科书几乎均由该公司出版，且高校化学工程专业教材几乎均选用该系列丛书，最具权威性。
下面以J. M. Smith等编写的化工热力学教材与我国马沛生主编，普通高等教育“十五”国家级规划教材《化工热力学》教学内容进行对比分析，供国内高校化工类核心课程化工热力学教材建设及教学改革参考。
J. M. Smith 编写的Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 6th edition 教材章节及内容 | 马沛生主编，普通高等教育“十五”国家级规划教材《化工热力学》 |
Preface
Chapter 1 Introduction Chapter 2 The first law and other basic concepts
2.1 Joule’s experiments
2.2 Internal energy
2.3 The first law of thermodynamics
2.4 Energy balance for closed systems
2.5 Themermodynamic state and state function
2.6 Equilibrium
2.7 The phase rule
2.8 The reversible process
2.9 Constant-V and constant-P processes
2.10 Enthalpy
2.11 Heat capacity
2.12 Mass and energy balances for open system
Chapter 3 Volumteric properties of pure fluids
3.1 PVT behavior of pure substances
3.2 Virial equations of state
3.3 The ideal gas
3.4 Application of the virial equations
3.5 Cubic equations of state
3.6 Generalized correlations for gases
3.7 Generalized correlations for liquids
Chapter 4 Heat effects
4.1 Sensible heat effects
4.2 Latent heats of pure substances
4.3 Standard heat of reaction
4.4 Standard heat of formation
4.5 Standard heat of combustion
4.6 Temperature dependence of DH
4.7 Heat effects of industrial reactions
Chapter 5 The second law of thermodynamics
5.1 Statement of the second law
5.2 Heat engines
5.3 Thermodynamic temperature scales
5.4 Entropy
5.5 Entropy changes of ideal gas
5.6 Mathermatic statement of the second law
5.7 Entropy balance for open systems
5.8 Calculation of ideal work
5.9 Lost work
5.10 The third law of thermodynamics
5.11 Entropy from the microscopic viewpoint
Chapter 6 Thermodynamic properties of fluids
6.1 Property relations for homogeneous phases
6.2 Residual properties
6.3 Residual properties by equations of states
6.4 Two-phase systems
6.5 Thermodynamic diagrams
6.6 Tables of thermodynaic perperties
6.7 Generalized property correlations for gas
Chapter 7 Applications of thermodynamics to flow processes
7.1 Duct flow of compressible fluids
7.2 Turbines (Expanders)
7.3 Compression precesses
Chapter 8 Production of power from heat
8.1 The steam power plant
8.2 Internal-combustion engines
8.3 Jet engines; Rocket engines
Chapter 9 Refrigeration and liquefaction
9.1 The carnot refrigerator
9.2 Vapor-compression cycle
9.3 The choice of refrigerant
9.4 Absorption refrigenration
9.5 The heat pump
9.6 Liquefaction processes
Chapter 10 Vapor/liquid equilibrium: introduction
10.1 The nature of equilibrium
10.2 The phase rule. Duhem’s theorem
10.3 VLE: Qualitative behavior
10.4 Simple models for vapor/liquid equilibrium
10.5 VLE by modified Raoult’s law
106. VLE from K-value correlations
Chapter 11 Solution thermodynamics: theory
11.1 Fundamental property relation
11.2 The chemical potential and phase equilibria
11.3 Partial preperties
11.4 Ideal-gas mixtures
11.5 Fugacity and Fugacity coefficient: pure species
11.6 Fagacity and Fugacity coefficient: species in solution
11.7 Generalized correlations for the Fugacity coefficient
11.8 The ideal solution
11.9 Excess properties
Chapter 12 Solution themodynamics: applications
12.1 Liquid-phase preperties from VLE data
12.2 Models for the excess Gibbs energy
12.3 Property changes of mixing
12.4 Heat effects of mixing processes
Chapter 13 Chemical reaction equilibria
13.1 The reaction coordinate
13.2 Application of equilibrium criteria to chemical reactions
13.3 The standard Gibbs-energy change and the equilibrium constant
13.4 Effect of temperature on the equilibrium constant
13.5 Evaluation of equilibrium constants
13.6 Relation of equilibrium constants to composition
13.7 Equilibrium conversions for single reactions
13.8 Phase rule and Duhem’s theorem for reacting systems
13.9 Multireaction equilibria
13.10 Fuel cells
Chapter 14 Topics in phase equilibria
14.1 The Gamma/Phi formulation of VLE
14.2 VLE from cubic equations of state
14.3 Equilibrium and stability
14.4 Liquid/liquid equilibrium
14.5 Vapor/liquid/liquid equilibrium
14.6 Solid/liquid equilibrium
14.7 Solid/vapor equilibrium
14.8 Equilibrium adsorption of gases on solids
14.9 Osmotic equilibrium and osmotic pressure
Chapter 15 Thermodynamic analysis of processes
15.1 Thermodynamic analysis of steady-state flow processes
Chapter 16 Introduction to molecular thermodynamics
16.1 Molecular theory of fluids
16.2 Second virial coefficients from potential function
16.3 Internal energy of ideal gases: microscopic view
16.4 Thermdynamic properties and statistical mechanics
16.5 Hydrogen bonding and charge-transfer complexing
16.6 Behavior of excess properties
16.7 Melecular basis for mixture behaviior
16.8 VLE by molecular simulation | 主修部分
第一章 绪论
1.1 热力学发展简史
1.2化工热力学的主要内容
1.3 化工热力学的研究方法及其发展
1.4 化工热力学在化工中的重要性
第二章 流体的P-V-T关系
2.1 纯物质的P-V-T关系
2.2 气体的状态方程
2.3 对比态原理及其应用
2.4 真实气体混合物的P-V-T关系
2.5 液体的P-V-T关系
第三章 纯物质(流体)的热力学性质
3.1 热力学性质间的关系
3.2 焓与熵变的计算
3.3 纯物质两相的系统热力学性质及热力学图表
第四章 均相混合物热力学性质
4.1 变组成系统的热力学关系
4.2 偏摩尔性质
4.3 混合过程性质变化
4.4 逸度和逸度系数
4.5 理想混合物
4.6 活度和活度系数
4.7 活度系数数模型
第五章 相平衡
5.1 相平衡基础
5.2 互溶系统的汽液平衡关系
5.3 中,低压下汽液平衡
5.4 高压汽液平衡
5.5 汽液平衡数据一热力学致性检验
5.6 平衡与稳定性
5.7 其他类型的相平衡
第六章 化工过程能量分析
6.1 热力学第一定律---能量转化与守恒方程
6.2 热力学第二定律
6.3 理想功,损失功与热力学效率
6.4 有效能
6.5 化工过程能量分析及合理用能
第七章 压缩,膨胀,蒸汽动力循环与制冷循环
7.1 气体的压缩
7.2 膨胀过程
7.3 蒸汽动力循环
7.4 制冷循环
7.5制冷剂的选择
第八章 物性数据的估算
8.1 估算的必要性及要求
8.2 对比态法
8.3 基团贡献法
8.4蒸气压的估算
8.5 蒸发焓的估算
8.6 纯气体粘度的估算
第九章 环境热力学
9.1 环境热力学与一般化工热力学的异同
9.2 辛醇/水分配系数
9.3 有机溶剂/水分配系数
9.4 水溶解度
9.5 空气/水分配系数
9.6 土壤或沉积物的吸附作用 辅修部分
第十章 反应热,反应平衡常数及其计算
10.1 燃烧焓
10.2 生成焓
10.3 生成Gibbs自由能
10.4 反应进度
10.5反应平衡常数
第十一章 化工热力学在精细化工中的应用
11.1化工热力学在精细化工中应用的特点
11.2 精细化学品的基础物性
11.3 精细化工中的热力学计算
11.4 精细化工中的相平衡计算
第十二章 相平衡的估算 |
J. M. Smith 编写的化工热力学（第六版）教材特色之一就是及时将当今国际研究热点和前沿研究领域引入教材中，使教材能反映当今科技发展趋势。燃料电池是上世纪末和本世纪初被美国列为优先发展的八大科技领域，它将同时解决能源与环境问题，成为国际公认的研究热点和经济增长点，J. M. Smith等将最新的热力学前沿研究领域燃料电池(fuel cell)引入了教材，符合当今科技发展趋势，丰富了该课程的教学内容，使学生通过学习化工热力学课程同时，了解和掌握燃料电池的基本原理及方法，为日后从事该领域研究奠定基础。特色之二，将分子热力学导论作为教材的最后一章，该部分内容对少学时的化工专业可作为参考资料供学生自学，对多学时的化工类专业，作为教学内容介绍给学生。目前科技发展已到了从分子水平研究化工过程，如化工过程的微尺度传热传质元件的研究开发，纳米技术及纳米材料出现，均涉及到小尺度或分子水平研究领域，分子热力学无疑为当今小尺寸化工单元装置及机理的研究提供了理论基础。
作为国内化工热力学代表性教材，马沛生主编的十五教材化工热力学，也有其特点，它吸收了国外教材的某些优点，又与中国高等教育及化工过程的实际相结合，将教材分为主修部分和辅修部分，主修部分供一般类化工专业学生学习，介绍化工热力学的基本原理，方法与计算过程，同时还将物性数据的估算作为一章单独介绍，物性数据是化工设计、化工计算与过程最基础的热力学数据，通常依靠实验测量，但是，由于物性数据量大，且随温度与压力变化，要完全从实验获得很难，若能从理论及经验公式进行估算与预测，则显著减少实验工作量和节省大量人力物力。国内教材物性数据的估算章节非常实用。此外，国内教材在辅修部分中的第十一章介绍化工热力学在精细化工中的应用，该章的内容与我国大力发展精细化工，精细化工逐渐成为仅次于石油化工的第二大化工产业，成为国民经济的支柱产业实际国情相关，它将热力学原理与反映体系特征的模型与精细化工实际相结合，应用解决精细化工过程的实际问题，使学生初步学习和掌握热力学在精细化工中的应用、基本原理和计算方法，为今后从事该领域的工业过程培养工程技术人才。
3 结 语
通过上述国内外化工热力学典型教材的对比发现，两者各有特色，国外教材除了介绍热力学基本原理、方法与计算在化工中的应用，还及时引进与当今科技发展相关的热力学内容，教材具有一定的前瞻性。国内教材编写结合我国实际国情，从培养工程应用型人才为主要目标，具有较强的实用性，两者可以互相参考借鉴。