Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics (The Mcgraw-Hill Chemical Engineering Series) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:McGraw-Hill Science/Engineering/Math

作者:J.M. Smith

出品人:

页数:840

译者:

出版时间:2004-11-12

价格:$ 315.27

装帧:Hardcover

isbn号码:9780073104454

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流淌在工业动脉中的科学之魂：化学工程热力学概览 在现代工业的宏伟蓝图中，化学工程热力学无疑是支撑起这庞大体系的基石之一。它并非仅仅是枯燥的公式和抽象的概念堆砌，而是对能量转化、物质状态以及驱动这一切变化的根本规律的深刻洞察。从炼油厂庞大复杂的管道网络，到制药厂精密控制的反应釜，再到新能源领域的前沿探索，热力学的原理无处不在，默默地指导着工程师们如何高效、安全、经济地设计、运行和优化各种化学过程。 化学工程热力学，顾名思义，是将经典热力学的基本原理应用于化学工程的特定领域。它关注的是物质在化学反应和物理转变过程中能量的得失，以及这些变化对系统宏观性质的影响。这门学科的精髓在于理解并量化能量的流动与转化，从而预测和控制化学过程的行为。它提供了强大的工具，使工程师能够解答一系列至关重要的问题：一个反应能释放多少能量？在何种条件下反应速率最快？需要多少能量才能实现某个分离过程？如何最大限度地提高产率并减少副产物？ 第一定律：能量守恒的基石 化学工程热力学的起点，往往是热力学第一定律，即能量守恒定律。这个定律简洁而有力地指出，在一个孤立系统中，能量的总量是恒定的，它只能从一种形式转化为另一种形式，而不会凭空产生或消失。在化学工程的语境下，这意味着我们在设计一个过程时，必须精确地追踪和计算能量的输入与输出。例如，在一个反应器中，输入的化学能（由原料决定）将转化为热能、功以及可能的产品内能。第一定律帮助我们量化这些能量的转移，确保能量的利用率最大化，并避免不必要的能量浪费。 对于工程师而言，理解第一定律的应用不仅仅局限于能量的总量平衡，更重要的是掌握焓（enthalpy）的概念。焓是系统内能与压力-体积功之和，它在恒压过程中尤其重要，因为许多化学反应和操作都在接近恒压的条件下进行。反应热（heat of reaction）是焓变的一个直接体现，它决定了一个反应是放热还是吸热，从而直接影响反应器的设计和温度控制策略。例如，爆炸性的燃烧反应会释放大量热量，需要精密的冷却系统来防止温度失控；而合成氨等吸热反应则需要持续的能量输入来驱动。 第二定律：效率与方向的导航者 如果说第一定律告诉我们能量的总量，那么热力学第二定律则指明了能量转化的方向和效率的极限。第二定律引入了熵（entropy）这一关键概念，它衡量了一个系统的无序度或混乱程度。自然界的一切过程都倾向于朝着熵增大的方向发展，这意味着能量的转化并非总是完美的，总会有一部分能量以无用的形式（如热量耗散）散失，导致效率的下降。 在化学工程中，第二定律的应用至关重要，它直接关系到过程的经济性和可行性。我们不能仅仅考虑能量是否守恒，更要关注能量转化的“质量”。例如，一个高度有序的系统（如纯净的液体）转化为一个高度无序的系统（如气体），熵会显著增加。反之，将气体冷凝成液体，或者将混合物分离成纯组分，都需要外部做功，并且伴随着熵的变化。 第二定律引出了“可用能”（available energy）或“吉布斯自由能”（Gibbs free energy）的概念。吉布斯自由能是衡量一个系统在恒温恒压下进行非体积功的最大能力的指标。当吉布斯自由能减小时，过程可以自发进行；当吉布斯自由能增大时，需要外部能量的输入才能驱动。这对于工程师预测反应方向、设计分离过程（如蒸馏、萃取）的能耗、以及评估热力学循环（如制冷、发电）的效率具有指导意义。理解第二定律，就是理解效率的极限，并努力在设计中趋近这个极限，减少能量的损耗，提高过程的经济性。 第三定律与零点能：绝对参照的标杆 虽然在化学工程的日常应用中，热力学第一定律和第二定律占据主导地位，但热力学第三定律同样具有理论上的重要性。第三定律指出，在绝对零度（0开尔文）下，完美晶体的熵为零。它为我们提供了一个绝对的熵参照点，使得我们能够计算绝对熵值，进一步理解物质的内禀性质。而零点能的概念，则涉及到量子力学，指出即使在绝对零度，分子仍具有最低限度的振动能量。 相平衡：物质形态的舞台 化学工程中的许多过程都涉及到物质在不同相（固、液、气）之间的转化和共存，这就引出了相平衡的概念。相平衡研究的是在给定温度、压力和组分条件下，不同相之间如何达到动态平衡。例如，在蒸馏过程中，液体和蒸气之间处于相平衡状态，它们的组成比例决定了分离的效率。 相平衡的预测和计算依赖于化学势（chemical potential）这一概念，它衡量了物质在特定相中的“化学能量”。当不同相的化学势相等时，系统就达到了相平衡。理解相平衡，是设计和优化诸如蒸馏、吸收、结晶、干燥等单元操作的关键。工程师需要根据相平衡数据，精确控制操作温度和压力，以实现所需的物质分离和转化。 化学平衡：反应方向与产率的博弈 除了物质的物理转变，化学反应的发生与停止也遵循着严格的热力学规律，这就是化学平衡。当一个可逆反应的正向反应速率等于逆向反应速率时，系统就达到了化学平衡。此时，反应物和产物的浓度不再发生宏观变化，但微观层面反应仍在继续。 化学平衡的描述主要通过平衡常数（equilibrium constant）来实现。平衡常数是一个与温度相关的量，它指示了在平衡时，产物的生成量相对于反应物的消耗量是偏向产物还是反应物。高平衡常数意味着反应倾向于生成更多的产物，而低平衡常数则意味着产物较少。 理解化学平衡，能够帮助工程师预测反应的最终产率，并找出提高产率的方法。例如，通过改变反应温度、压力，或者加入过量的某种反应物，都可以有效地将化学平衡推向产物生成的方向，从而提高目标产物的收率。此外，化学平衡也为催化剂的作用提供了热力学解释——催化剂并不改变平衡常数，但能够显著缩短达到平衡所需的时间，这在工业生产中具有极其重要的意义。 溶液热力学：混合物的奥秘 在许多化工过程中，我们处理的不是单一纯物质，而是复杂的混合物。溶液热力学就是研究混合物中各组分之间相互作用以及混合物宏观性质的学科。它关注的是混合物的形成焓、混合熵、以及溶液的活度（activity）等概念。 理解溶液热力学，对于诸如混合、溶解、稀释等过程的设计至关重要。例如，稀释浓酸会放出大量的热量，这需要精确的加料顺序和冷却措施来控制温度；而有些物质混合时会吸热，需要能量的补充。活度的概念则是在非理想溶液中，用来代替浓度的概念，它更准确地描述了组分在反应或相平衡中的“有效”浓度，对于精确计算平衡常数和相平衡至关重要。 热力学循环：能量转化的艺术 在能源相关的化学工程领域，热力学循环是核心的研究对象。它描述了一个系统如何通过一系列的热力学过程，最终回到初始状态，并将净能量转化为有用的功，或者将净能量从低温处转移到高温处。 例如，卡诺循环（Carnot cycle）是理想热力学循环的典范，它给出了在给定两个热源温度下，热机效率的理论上限。实际的工业循环，如朗肯循环（Rankine cycle）用于发电，制冷循环用于制冷和空调，都试图在实际条件下尽可能地逼近理想循环的效率。通过分析热力学循环，工程师可以评估能量转换设备的性能，优化设计参数，以实现更高的能源利用效率。 工程应用的广度与深度 化学工程热力学的影响力渗透到工业生产的方方面面。在炼油和石化领域，它指导着原油的分馏、裂解、重整等过程的设计，以生产出高附加值的化学品和燃料。在制药行业，它对于药物的合成、结晶、纯化等过程的温度、压力控制至关重要，确保产品的质量和安全性。在环境保护领域，热力学的原理被应用于废水处理、废气净化、以及温室气体捕获等技术的开发。在新能源领域，从燃料电池的设计到储能技术的研发，热力学都扮演着不可或缺的角色，指引着人类走向更清洁、可持续的能源未来。 总而言之，化学工程热力学是一门连接基础科学与工程实践的桥梁。它不仅教会我们理解物质世界的深层规律，更赋予我们改造和利用这些规律的能力。通过对能量、熵、相平衡、化学平衡等核心概念的深入掌握，工程师能够设计出更高效、更经济、更环保的化工过程，为人类社会的进步和发展贡献力量。这门学科的魅力在于，它让我们能够“看到”能量的流动，“预测”物质的命运，并最终“驾驭”化学反应的力量，为我们的世界创造无限可能。

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作为一本被冠以“工程”之名的教材，我对其中关于计算和软件应用的篇幅有很高的要求。现代化学工程早已离不开计算模拟，单纯依靠手工计算来解决实际问题已经不现实了。我非常期待书中能有专门的章节，详细介绍如何利用主流的热力学软件（比如Aspen HYSYS或者ChemCAD）来处理书中涉及的案例。比如，如何建立一个精确的物性数据库，如何选择合适的方程来拟合实验数据，以及如何进行灵敏度分析以优化操作条件。如果书里只是简单地提一句“用软件求解”，而没有给出具体的步骤和截图示例，那对我来说价值就大打折扣了。我需要的是那种可以立刻上手操作的指南，让我能够将书中学到的理论知识，无缝地转化为计算机上的模拟结果。这种实践导向的内容，才是区分“学术理论”和“工程实用”的关键所在，也是衡量一本工程教材是否与时俱进的重要标准。

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这本书，说实话，我拿到手的时候，心里是有点打鼓的。毕竟“热力学”这三个字，对不少工科生来说，简直就是噩梦的代名词。我期待的，是一个能把那些抽象的、冷冰冰的公式和原理，用更生动、更贴近实际工程应用的方式讲出来的内容。我希望能看到大量的实例，最好是那种能让人立刻联想到化工厂里那些复杂的设备和操作的场景。比如，对能量守恒定律在不同反应器中的具体体现，或者相平衡在分离过程中的精妙应用，这些才是我们真正需要掌握的硬核知识。如果只是停留在理论推导的层面，那和那些老掉牙的教材也没什么区别。我更希望看到作者在讲述概念时，能穿插一些历史背景或者最新的研究进展，这样能让学习过程不那么枯燥，也能激发我们对这个学科更深层次的兴趣。总而言之，一本好的热力学教材，不应该只是公式的堆砌，而应该是一本能真正引导读者思考和解决实际问题的“工具书”。我对这本书的期望，就是它能跨越理论与实践之间的鸿沟，成为我未来职业生涯中可以随时翻阅的宝典。

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我关注这本书中对于“熵”和“吉布斯自由能”这两个核心概念的阐释方式。这两个概念往往是学生理解热力学方向性和平衡状态的关键瓶颈。如果作者只是把它们定义为某个数学表达式，那无疑是失败的。我期望看到的是作者能够用非常直观的方式，将熵与宏观世界的“无序度”以及微观世界的“微观状态数”建立起坚实的桥梁。而在讨论吉布斯自由能时，希望能有大量的篇幅来阐述它在化学反应方向判断和相态转变驱动力中的核心地位，并且要清晰地展示如何利用它来设计和评估工业过程的可行性。我特别希望看到那种能够激发读者“顿悟”的讲解，而不是那种平铺直叙、仅仅重复教科书定义的语言。毕竟，真正掌握了这两个概念的精髓，才能真正驾驭化学工程热力学的广阔领域，否则，学习过程就只是在知识的表面打转。

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这本书在深入讲解基础热力学概念时，对“假设”的强调程度令我深感忧虑。热力学问题的难点往往在于如何准确地判断和应用适用的简化假设。我希望这本书能花大量笔墨来讨论不同应用场景下，哪些假设是合理的，哪些是会引入显著误差的。例如，在处理非理想溶液的蒸气液相平衡时，书中对活度系数模型的选择（如NRTL, UNIQUAC）的优缺点及其适用范围的讨论是否足够深入和详尽？如果只是给出公式然后套用，而没有解释为什么在某个特定体系下必须选择某个模型，那么学生很容易在实际问题面前感到茫然失措。我需要的是一种批判性的思维训练，知道在不同温度、压力和组分条件下，我们对系统物理行为的认识有多大程度上的“近似”。这种对模型局限性的深刻理解，远比记住一堆复杂的公式来得重要。

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这本书的排版和插图，坦白说，有点让人提不起精神。在这个视觉信息爆炸的时代，如果内容呈现方式还停留在上个世纪的风格，确实会让人在翻阅时感到吃力。我期望看到的是那种清晰、现代的图表设计，尤其是流程图和P-V、T-S图之类的关键图形，必须做到一目了然，标注精确无误。我特别关注那些涉及到复杂相图和反应平衡的章节，如果能用高分辨率的彩色图例来解释那些临界点和共存区，那学习效率肯定能大大提高。而且，对于公式的推导过程，如果能采用分步详解，并在关键步骤旁加入简短的文字注释来解释其物理意义，而不是简单地罗列数学步骤，那对理解帮助就太大了。我希望看到的是一种“手把手”的教学风格，仿佛一位经验丰富的教授正坐在我旁边，耐心地为我剖析每一个难点。如果这本书在这方面做得不够细腻，那么即使内容再扎实，也只能沦为一本束之高阁的参考书，无法成为我经常翻阅的学习伙伴。

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I don't want look at this shit again

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a classic for thermo

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慢慢读，不着急……

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本学期重头戏！

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#2017-09-29在读