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。因此，时间不是热力学的变量，速度的研究已超出了热力学的范畴，或者除了体系接近平衡的极限以外，速率的研究属于热力学的范畴。在这儿，速率的表达式应该在热力学上是连续的。
热力学定律建立于实验和观测基础之上的，这些实验和观测既不是最重要的，又不复杂。
同时，这些定律的本身是用相当普通语言加以描述的。然而，从这一明显的平淡的开始，发展成为一个很大的结构，这种结构对人类思想归纳力做出了贡献。这在想象力丰富、严肃认真的学生中成功地激发了敬畏（inspire awe），这使得Lewis 和Randall 将热力学视为科学的权威。因为除了技术上的成功和结构的严密性，这个比喻选择很恰当，我们可观察到美妙之处（和宏观体）。因此，毫无疑问，热力学的研究在学术上有价值的，智力上可以得到激发，同时，对一些人来说，是一种很好的经历。
3. 热力学定律
第一定律. 热力学第一定律是能量守恒的简单的一种描述。如图3-1 所示，稳态时离开一个过程的所有能量的总和必须与所进入该过程的能量总和相等。工程师在设计和操作各种过程
时绝对遵循质量和能量守恒定律。所不幸的是，就其本身而言，当试图评估过程的效率时，第 化学工程与工艺专业英语第十一单元化工热力学
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一定律引起混淆不清。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），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
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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。如果熵达到平衡，象质量和能量达到平衡一样，那么该过程是可逆的，即该过程也会反向移动。可逆过程只是在理论上是可能的，需要动力学平衡维持连续存在，因此可逆过程是不可产生的。而且，如果不化学工程与工艺专业英语第十一单元化工热力学4平衡（过程）倒过来，即如果有净熵的减少，那么所有的箭头也要反向，该过程被迫反向进行。实质上，是熵增驱使该过程：是同一种驱动力使水向下流，热流从热物质流向冷物质，使玻璃打碎，金属腐蚀。简而言之，所有事物都同它们周围的环境接近平衡。第一定律，需要能量守恒，所有形式能量变化有着相同的重要性。尽管所有过程都受第一定律权威性的影响，但是该定律不能区分能量的质量，也不能解释为什么观察不到自发发生的
过程自发地使自身可逆。功可以全部转化为热而反向转换从来不会定量发生，这种反复验证过的观测达成了这样的共识— — 热是一种低质量的能量。第二定律，深深扎根于热发动机效率的研究，能分辨能量的质量。通过这一定律，揭示了以前未认可的函数— — 熵的存在，可以看出，该函数确定了自发变化的方向。第二定律并没有（in no way）减小第一定律的权威性；相反，第二定律拓展和加强了热力学的权限。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
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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。
要记住无论传热系数是怎么得来的设计热交换器的工作将基本上是一样的。正因如此，传递现象的一些课程只强调传热系数的决定而把真正的设计步骤留给单元操作中的一个课程。当然，能获得参数也就是设计中使用的传热系数是事实，并正因此，一个传递现象课程可被视为一个工程课程或一个科学课程。
实际上，在设备设计中有一些情况下设计工程师可能直接使用传递现象的方法和方程。一种情况就是设计可以被称为管道的管式反应器，如，前面所提过的热交换器，在它里面的液相中发生着一个均相化学反应。流体以一定浓度的反应物流进并以浓度降低的反应物和浓度增加的产物流出反应管。
如果反应是放热的，为了移除化学反应生成的热量反应器壁通常维持在一个低的温度。因此沿径向方向也就是说随离管道中心线距离的增大，温度降低。再者，因为反应速率随温度升高而增大，在温度高的中心处的反应速率高于温度低的管壁处的反应速率。结果，反应产物将倾向于在中心线处积累而反应物在靠近管壁处积累。因此，沿径向和横向浓度和温度都将改变。为了设计反应器我们需要知道在任意给定的管长下产物的平均浓度。由于这个平均浓度是将整个反应器内每个点的浓度平均起来得到的，实际上我们需要得到反应器内每个点的浓度，也就是说，在每个径向和横向位置。但是为了计算每个点的浓度我们需要知道每个点处的反应速率，而为了计算每个点处的速率我们需要知道温度和浓度！而且，为了计算温度我们也要知道每个点处的反应速率和速度。我们将不得到所包含的方程，但显然有一组必须由精细繁琐的步骤解决的复杂偏微分方程（通常在电脑上）。我们不能通过用于单元操作课程中关于热交换器的经验设计步骤来解决这样一个问题，应该是明显的。然而传递现象的理论和数学步骤是必不可少的，除非一个人愿意花金钱和时间去建立规模不断扩大的模范工厂并测出每一个工厂的产率。 即便最后的扩大规模是靠不住和不确定的。
当然，并非今天所有的问题都能通过传递现象的方法解决。然而，随着电脑科技的发展，越来越多的问题通过这些方法正被解决。如果工程学学生要得到一个不过时的教育，他们必须通过理解传递现象的方法准备好去充分利用将在未来形成的计算机计算。由于其极大的潜能及当前的实用性，在一个大学生的在校学习生涯中，传递现象这门课程或许最终证明是最实用和有用的课程。
Unit 13 Unit Operations in Chemical Engineering
化学工程中的单元操作
化学工程由不同顺序的步骤组成，这些步骤的原理与被操作的物料以及该特殊体系的其他特征无关。在设计一个过程中，如果（研究）步骤得到认可，那么所用每一步骤可以分别进行研究。有些步骤为化学反应，而其他步骤为物理变化。化学工程的可变通性（versatility）源于将一复杂过程的分解为单个的物理步骤（叫做单元操作）和化学反应的实践。化学工程中单元操作的概念基于这种哲学观点：各种不同顺序的步骤可以减少为简单的操作或反应。不管所处理的物料如何，这些简单的操作或反应基本原理（fundamentals）是相同的。这一原理，在美国化学工业发展期间先驱者来说是明显的，首先由A.D.Lttle 于1915 年明确提出：任何化学过程，不管所进行的规模如何，均可分解为（be resolvedinto）一系列的相同的单元操作，如：粉碎、混合、加热、烘烤、吸收、压缩、沉淀、结晶、过滤、溶解、电解等等。
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这些基本单元操作（的数目）为数不多，任何特殊的过程中包含其中的几种。化学工程的复杂性来自于条件（温度、压力等等）的多样性，在这些条件下，单元操作以不同的过程进行，同时其复杂性来自于限制条件，如由反应物质的物化特征所规定的结构材料和设备的设计。最初列出的单元操作，引用的是上述的十二种操作，不是所有的操作都可视为单元操作。从那时起，确定了其他单元操作，过去确定的速度适中，但是近来速度加快。流体流动、传热、蒸馏、润湿、气体吸收、沉降、分粒、搅拌以及离心得到了认可。近年来，对新技术的不断理解以及古老但很少使用的分离技术的采用，引起了分离、处理操作或生产过程步骤上的数量不断增加，在多种操作中，这些操作步骤在使用时不要大的改变。这就是“单元操作”这个术语的基础，此基础为我们提供了一系列的技术。1.单元操作的分类
（1）流体流动流体流动所涉及到的是确定任何流体的从一位置到另一位置的流动或输送的原理。（2）传热该单元操作涉及到（deal with）原理为：支配热量和能量从一位置到另一位置的积累和传递。（3）蒸发这是传热中的一种特例，涉及到的是在溶液中挥发性溶剂从不挥发性的溶质（如盐或其他任何物质）的挥发。（4）干燥在该操作中，挥发性的液体（通常是水）从固体物质中除去。（5）蒸馏蒸馏是这样一个操作：因为液体混合物的蒸汽压强的差别，利用沸腾可将其中的各组分加以分离。（6）吸收在该操作中，一种气流经过一种液体处理后，其中一种组分得以除去。（7） 膜分离该操作涉及到液体或气体中的一种溶质通过半透膜向另一种流中的扩散（8）液-液萃取在该操作中，（液体）溶液中的一种溶质通过与该溶液相对不互溶的另一种液体溶剂相接触而加以分离。（9）液-固浸取在该操作所涉及的是，用一种液体处理一种细小可分固体，该液体能溶解这种固体，从而除去该固体中所含的溶质。（10） 结晶结晶涉及到的是，通过沉降方法将溶液中的溶质（如一种盐）从该溶液中加以分离。（11）机械物理分离这些分离方法包括，利用物理方法分离固体、液体、或气体。这些物理方法，如过滤、沉降、粒分，通常归为分离单元操作。许多单元操作有着相同的基本原理、基本原则或机理。例如，扩散机理或质量传递发生于干燥、吸收、蒸馏和结晶中，传热存在于干燥、蒸馏、蒸发等等。 2. 基本概念
因为单元操作是工程学的一个分支，所以它们同时建立在科学研究和实验的基础之上。在设计那些能够制造、能组合、能操作、能维修的设备时，必须要将理论和实践结合起来。下面四个概念是基本的（basic），形成了所有操作的计算的基础。物料衡算如果物质既没有被创造又没有被消灭，除了在操作中物质停留和积累以外，那么进入某一操作的所有物料的总质量与离开该操作的所有物料的总质量相等。应用该原理，可以计算出化学反应的收率或工程操作的得率。在连续操作中，操作中通常没有物料的积累，物料平衡简单地由所有的进入的物料和所有的离开的物料组成，这种方式与会计所用方法相同。结果必须要达到平衡。只要（as long as）该反应是化学反应，而且不消灭或创造原子，那么将原子作为物料平衡的基础是正确的，而且常常非常方便。可以整个工厂或某一单元的任何一部分进行物料衡算，这取决于所研究的问题。能量恒算相似地，要确定操作一操作所需的能量或维持所需的操作条件时，可以对任何工厂或单元操作进行能量衡算。该原理与物料衡算同样重要，使用方式相同。重要的是记住，尽管能量可能会转换为另一种等量形式，但是要把各种形式的所有的能量包括在内。理想接触（平衡级模型）无论（whenever）所处理的物料在具体条件（如温度、压强、化学组成或电势条件）下接触时间长短如何，这些物料都有接近一定的平衡条件的趋势，该平衡由具体的条件确定。在多数情况下，达到平衡条件的速率如此之快或所需时间足够长，以致每一次接触都达到了平衡条件。这样的接触可视为一种平衡或一种平衡接触。理想接触数目的计算是理解这些单元操作时所需的重要的步骤，这些单元操作涉及到物料从一相到另一相的传递，如浸取、萃取、吸收和溶解。操作速率（传递速率模型）在大多数操作中，要么是因为时间不够，要么是因为不需要平衡，因此达不到平衡，只要一达到平衡，就不会发生进一步变化，该过程就会停止，但是工程师们必须要使该过程继续进行。由于这种原因，速率操作，例如能量传递速率、质量传递速率以及化学反应速率，是极其重要而有趣的。在所有的情况中，速率和方向决定于位能的差异或驱动力。速率通常可表示为，与除以阻力的压降成正比。这种原理在电能中应用，与用于稳定或直流电流的欧姆定律相似。用这种简单的概念解决传热或传质中的速率问题时，主要的困难是对阻力的估计，阻力一般是通过不同条件下许多传递速率的确定式（determination）的经验关联式加以计算。速率直接地决定于压降，间接地决定于阻力的这种基本概念，可以运用到任一速率操作，尽管对于特殊情况的速率可以不同的方式用特殊的系数来表达。
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