《Thermodynamics with Chemical Engineering Applications》书评

《化学工程热力学》书评

By 化学与化工学院 苏沁

《Thermodynamics with Chemical Engineering Applications》，中文译名为《化学工程热力学》，出版于2014年。作者Elias l. Franses为普渡大学化学工程系教授，长期教授化学工程热力学课程。该书由Cambridge University Press出版。

本书详细介绍了工程热力学的核心理论和实际应用，主要面向化学工程领域的本科生与研究生。其目标是帮助学生深化对基本热力学概念和规则的理解，并能够将这些理论应用于实际工程中。正文部分共18章节，现介绍如下：

第一章 导言和概要：介绍了热力学的范围、重要性、基础和有效性，以及热力学在宏观、微观和分子层面的特质。重点概述了热力学的主要原理，阐述了热力学分析中平衡与非平衡效应的区别，并对本书内容的简要总结。

第二章 力学与热力学界面上的问题和概念：介绍了液体或气体在重力作用下压力、密度和温度的空间分布，并回顾了力学的关键概念和原理，如长度、时间和质量等。进一步解释了力的定义和类型，并涵盖了面积、体积、速度和加速度、压力、应力、机械功、机械能、能源单位以及其他形式的功和能等概念。

第三章 相、界面、分散体和热力学三大定律：介绍了平衡态和非平衡态的概念，并讨论了不同类型的相:气相、液相、固相和液晶相。进一步探讨了相变、相平衡、相界、界面区域、界面和表面等概念。随后，介绍了纳米粒子的两相分散体、胶体分散体(胶体)和其他分散体以及相的广度性质和强度性质。最后，阐述了热力学的三大定律以及状态方程。

第四章 内能、第一定律、热、能量守恒、质量和能量平衡、焓和热容：详细解释了内能和热的概念，并对热力学第一定律进行了释义与推导。进一步介绍了开放系统中能量对流、对流传热以及质量/能量平衡的基本原理。最后，解释了热容及其相关概念的定义，并提供了热容的计算方法。

第五章 单组分系统和多组分系统的状态方程：解释了理想气体状态方程和非理想气体状态方程（如范德华方程），并探讨了这些方程背后的微观模型概念，及对范德华方程的补充说明。接着，介绍了蒸汽压的定义、测量方法和应用，特别是在使用范德华方程求解汽液平衡时的蒸汽压和摩尔体积计算。进一步讨论了其他非理想气体和汽液系统的状态方程、气体/蒸汽/液体系统的对应状态原理以及广义关联式。随后，阐述了液体和固体的状态方程，单组分两相体系的比容和状态方程，分压、理想气体混合物，以及空气的绝对湿度和相对湿度的相关概念。最后，介绍了理想与非理想气体、液体和固体溶液的摩尔体积、混合体积、偏摩尔体积等概念，以及气体混合物和汽液两相混合物的状态方程。。

第六章 质量和能量平衡以及状态方程在几类热力学问题中的应用：介绍了封闭系统中理想气体的膨胀过程，以及非理想气体、液体和湿蒸汽的相关问题。进一步解释了处于稳态或非稳态的开放系统的一般准则，特别是开放式蒸发系统中的“咖啡壶”问题。接着，讨论了稳态换热器的相关问题，包括理想气体的并流流动与逆流流动、液体的并流流动与逆流流动，以及用蒸汽作为热流体加热液体的过程。最后，介绍了节流过程和气体或液体在储罐中填充与排空的实际应用。

第七章 热力学第二定律、绝对温度、熵的定义和计算、熵不等式：介绍了热力学第二定律的实验基础、发展需求及其模型，讨论了理想化热机、卡诺循环以及热机能量效率的定量处理。进一步阐明了热机的理想效率与实际效率的差异。接着，解释了熵的定义及熵变计算的一般方法，并详细阐述了封闭系统中绝热可逆过程和绝热不可逆过程的熵变，以及熵不等式原理。对于开放系统，还讨论了熵不等式的应用。最后，总结了热力学第二定律的不同表述。

第八章 热力学第二定律-亥姆霍兹自由能、吉布斯自由能、化学势及其在相平衡传热和传质中的应用；介绍了状态函数亥姆霍兹自由能（A）和吉布斯自由能（G），以及麦克斯韦关系式。进一步探讨了在固定(m, T, V)或固定(m, T, p)条件下系统的最大可能功，并应用于单组分体系的相平衡分析。随后，介绍了克拉佩龙方程和克劳修斯-克拉佩龙方程，以及使用麦克斯韦等面积构造法测定汽液平衡中的蒸气压。接着，讨论了开放式多组分多相系统中的第一和第二定律，单组分与双组分体系中的传质和相平衡方向，并介绍了吉布斯相律。最后，进行了热力学第一定律和第二定律的定量检验。

第九章 逸度、活度和其他热力学函数：介绍了单组分气体、蒸汽、液体和固体的逸度及逸度系数的定义与计算。进一步探讨了气体、液体和固溶体的内能与焓，以及理想气体、非理想气体、液体和固溶体的熵和吉布斯自由能。同时，讨论了溶解度和活度的概念。最后，介绍了非理想溶液中的相分离模型及其应用。

第十章 汽液平衡及其在蒸馏中的应用：介绍了理想溶液的汽液平衡，包括拉乌尔定律、分量方程的推导以及双组分体系的泡点和露点曲线计算。进一步探讨了非理想溶液的汽液平衡，包含其分量方程的推导和泡点露点曲线的计算。接着，讨论了共沸效应、液液相分离的影响，以及多组分体系的基本原理和相关方程。

第十一章 气液平衡及其在气体吸收或解吸中的应用：介绍了理想溶液的气液平衡，包括亨利定律、双组分系统的分量方程，以及泡点、露点和溶解度的计算。接着，讨论了非理想溶液的气液平衡，并探讨了多组分系统的基本原理和相关方程。

第十二章 热力学在液液平衡和液液萃取中的应用：介绍了含一种液体溶质的三组分系统和含一种非液体溶质的三组分系统的基本概念。随后，探讨了液液萃取的定义、原理及其应用。最后，讨论了含有两种或两种以上溶质的系统，涉及其相行为及相关理论。

第十三章 渗透、渗透压、渗透平衡和反渗透：介绍了一种或多种溶质渗透压的来源和推导，进一步探讨了其在电解质中盐解离、聚合物溶质分子量测定、溶液非理想性参数中的应用。最后，讨论了渗透压在反渗透中的应用。

第十四章 热力学第三定律和第二、第三定律的分子基础：阐述了热力学第三定律及绝对熵的实验基础和经典热力学基础，介绍了热力学第三定律的不同表述。接着，讨论了经典和量子统计力学与热力学的关键概念，并探讨了统计力学和热力学与经典热力学之间的联系。最后，提供了热力学概念和定律的分子和统计学解释。

第十五章 热力学第一定律和第二定律的一些特殊含义和应用：介绍了Gibbs-Duhem方程及其在验证实验数据热力学一致性中的应用条件。进一步探讨了含有非挥发性溶质的溶液的蒸气压，在测定摩尔分数、分子量、活度系数和二元相图中的应用。随后，讨论了非挥发性溶质溶剂的沸点升高、冰点（或熔点）降低的应用，以及固体在理想溶液中的溶解度预测等相关应用。

第十六章 化学反应平衡-单个反应：介绍了反应平衡与反应动力学、化学计量学和原子平衡，化学反应的平衡程度与焓变，化学反应对内燃机运行和设计的影响，以及化学反应方向和平衡程度的判定。讨论了吉布斯自由能变化与气相反应平衡常数的测定，反应平衡常数与温度的关系，气相反应、液相及其他均相反应的平衡，以及多相反应的平衡。

第十七章 化学反应平衡-同时发生两个或两个以上反应：解释了如何通过原子矩阵的秩来确定独立反应数，以及如何根据平衡常数来确定两个或多个反应的平衡产率。在约束条件下，使用吉布斯自由能最小化方法确定多个反应的平衡产率，最后通过具体例子展示了单个反应与多个反应的平衡计算。

第十八章 热力学在能源工程和环境工程中的应用：介绍了能源的来源与类型，以及能源之间的相互转换过程。讨论了建筑物、交通运输、农业、工业生产和燃料利用中的能源效率问题，分析了大气中甲烷和二氧化碳的质量平衡及碳足迹。进一步探讨了地球表面和大气层的能量平衡，能源生产和工业产品所用材料的能源成本问题，最后阐述了空气污染和水污染中的热力学原理。

本书以清晰而富有新意的方式介绍了化学工程热力学的核心概念与关键问题，结合丰富详尽的图表，增强了读者对相关知识点的理解与应用。全书结构合理，编排有序，每一章节都配有总结和大量复习题，便于读者进行回顾与自查。书中的语言简练、简洁，图文并茂，内容全面且实例丰富新颖。附录部分提供了热力学数据与参考书目指南，方便读者进行深入查阅。作为一本全面且专业的教科书，本书无疑是化工领域学生值得细读的佳作。

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本书高校馆藏：加州大学伯克利分校、西北工业大学、斯坦福大学、牛津大学、北京师范大学珠海校区