博客新闻资讯网致力于打造最新最快最具活力的新闻资讯门户网站

扬声器行业设备有限公司

解释了耗散结构等问题

发布:admin06-11分类: 化工

  最近读了《你错了,爱因斯坦先生》一书,并结合自己先前读过伽利略的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》,感觉其中通过对话来阐述事实,逐步认识事物的写法感觉很棒,借此机会写下了第一篇博文,以一名化学专业学生和一名化工专业学生对话为背景,来介绍化学与化工学科的相似与区别,介于自己仅是一名普通的在读博士生,水平有限,如有错误请大家批评指正。

  贾鑫和彭霖(两个根据元素周期表虚构的人物)是我的两个朋友,前者是xx大学化学系的高才生,成绩一直是全系的前列;另一个是xx大学化工系的佼佼者,虽然成绩上并不突出,却对化工有着独到的认识。平时我们三人经常在闲暇时间在外聊聊最近发生的事情,由于两人都对问题有着自己的思考,因而经常对问题进行探讨,特别是针对化学与化工的部分,让我也不由得有时会加入讨论。

  贾鑫:最近家里人一直在和我说工作安全的问题,天天和我说听说哪哪个工厂又炸了,咱以后可别去那种地方工作啊。我就很不理解,我一个学理科的,我干嘛要去工厂工作啊(职业问题只是为了引出故事,并无其他意思)!

  彭霖:那还不是现在的好多人根本分不清你的专业和我的专业。虽然专业名称很类似,但是这还是两个完全不同的专业啊!

  贾鑫:可不,我对你的专业都不是很了解,你的专业叫化学工程与技术,看上去和我们的也差不多啊,可是咱们去图书馆借的书却很少一样的。丁一本科是化工专业的吧,你是不是比较了解我们两个的专业差别。

  彭霖:还是我说吧,在这点上我最了解了,虽然从起源上,我的专业是源于化学的,但是在经历了这么一百多年的发展,其实好多东西早已经改变了。

  贾鑫:一百多年?不会吧,从最早的炼金术(西方炼金术最早起源于16世纪,在其相关古籍中最早出现了“化学”这一名词,事实上中国的化学发展史应该更早,在唐中后期火药就以炼丹的副产物而出现,但是这时并没有形成体系。)到现代,化学发展史可是有500多年啊。

  彭霖:是啊,化学工程是一门非常年轻的学科。化学工程的概念最早是由英国人G.E.戴维斯提出的,他是英国曼彻斯特地区的制碱业污染检查员。由于化工生产工艺,都是由为数不多的基本操作如蒸馏、蒸发、干燥、过滤、吸收和萃取等组成的,因而可以对它们进行综合的研究和分析。但是,这个观点并没有被普遍的接受,1880年他发起成立英国化学工程师协会,但是未获成功。化学工程专业的建立与英国的情况相反,化学工程这一名词在美国很快获得了广泛应用。1888年,根据L.M.诺顿教授的提议,MIT开设了世界上第一个定名为化学工程的四年制学士学位课程,即著名的第十号课程。但是,当时的化学工程基本是化学和机械工程的融合,并没有很系统的知识体系。因此,可以说化学工程专业是化学专业和其他工程类专业的一个交叉学科。

  贾鑫:这样啊,看来每一个专业的建立都是曲折的啊。化学的发展是很漫长的,一般也可以认为经历了五个时期:远古的工艺化学时期、炼丹术和医药化学时期、燃素化学时期、定量化学时期和现代化学时期。但是从化学的真正认识来讲,要从燃素的认识和火的认识开始,施塔尔的《化学基础》就是燃素说的代表作。但是,当时人们甚至不知道燃烧是怎么发生的(事实上现在人类也无法认清燃烧的具体过程,尽管一些基于同步辐射的光电离技术可以测定一些燃烧的中间物,但是仍然无法详细的解释。)。一直到1775年前后,拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说,开创了定量化学时期。这时,人们开始对一些化学的基本定理和规律有了粗浅的认识。有好多人认为化学是从物理的一部分演化来的,但是这并不是完全的事实。虽然在现代化学的发展过程中,物理学对化学产生了巨大的影响,但是化学确实是独立发展过来的。

  彭霖:与化学的发展相比,化工的发展可以算是一个飞跃的过程。第一次飞跃是在学科建立的早期,由化学工程学科基础的奠基人华克尔和A.D.利特尔引领的。他们将物理化学和工业化学知识结合起来,去解决化学工业发展中面临的工程问题。1908年,利特尔参予发起成立美国化学工程师协会,并担任过该会的主席。1908年,根据他的建议,MIT建立了应用化学实验室和化学工程实用学校,让学生接受各种化工基本操作的实际训练。1915年,利特尔在给麻省理工学院的一份报告中,提出了单元操作的概念,对化学工程早期发展也作出了重要贡献。1920年,在MIT,化学工程脱离化学系而成为一个独立的系,由W.K.刘易斯任系主任。这年夏天,在华克尔的缅因州夏季别墅里,华克尔、刘易斯和W.H.麦克亚当斯完成了《化工原理》一书的初稿。《化工原理》阐述了各种单元操作的物理化学原理,提出了它们的定量计算方法,并从物理学等基础学科中吸取了对化学工程有用的研究成果(如雷诺关于湍流、层流的研究)和研究方法(如因次分析和相似论,奠定了化学工程作为一门独立工程学科的基础,影响了此后化学工程师的培养和化学工程的发展)。

  我:这部分历史我也知道一些,可以说MIT一直是化学工程专业的前驱者,即使是现代的很多化工技术也是MIT最先提出的(如微流控技术)。

  贾鑫:哈哈哈,怪不得你一直对MIT很向往。回到话题来说,从彭霖对化工早期发展的解释,我已经察觉到了化工与化学的不同。我本科的时候也上过化工原理这门课,但是给我的感觉就是这门课一直在讲物理,和我们化学没啥关系。我想听你把化工的发展介绍完,我再来说明化学的发展与化工的不同。

  彭霖:好,那我就继续说。20世纪20年代,石油炼制工业获得了初次发展,出现了第一个化学加工过程──热裂化,在化工生产中,连续操作日益普遍。这些过程的操作和放大,都需要加深理解流体流动、热量的传递和利用以及相际传质的规律。在1920~1940年关于化工各项单元操作的专著被发表,但是这个对化工的发展并没有突破性进展。直到30年代末40年代初,MIT的H.C.韦伯写出的《化学工程师用热力学》和耶鲁大学的B.F.道奇教授写的《化工热力学》的著作出版化学工程的一个新的分支学科──化工热力学诞生了。

  贾鑫:但是我感觉这也没有特别大的突破,毕竟还是没有突破物理化学的内容,只是把热力学应用到化学工程的计算之中了吧。

  彭霖:这种说法不完全正确,因为化工需要解决的热力学问题是一些非传统的在高T、P下热力学问题,因而在化工热力学中使用更多的是经验公式和经验参数,这些数据对于化学来说是不精确的,但是对于工程来说,这是可以接受的。但是,当时的热力学是很粗糙的,事实上热力学的真正发展也不是在这一时期,所以也可以说这并不是突破性的进展。

  贾鑫:我明白了,这一点我很理解,就像DFT理论一样,最初被提出之后并没有进一步发展,但是当人类逐步认识到其重要性之后,迅速的发展为一种常用的计算化学手段。那什么时候才是化工真正的突破性发展呢?

  彭霖:二战之后,人们认识到要顺利实现过程放大,特别是高倍数的放大(例如在曼哈顿工程中放大倍数高达1000),必须对过程的内在规律有深刻的了解,没有坚实的基础研究工作,是很难做到这一点的。随着原油开采量的增加和石油炼制工业的需求量不断提高,化学工程迎来了第二个爆发期(20世纪50年代后)。这段时间中,化学工程中最基本的内容“三传一反”(动量传递、热量传递、质量传递和反应工程)的概念被提出。随着研究体系的增加,人们逐渐认识到单元操作的概念,只在处理包含物理变化的化工操作时获得了巨大的成功,但是对于化学反应过程并不能很好的进行描述。为了更好的描述整个工艺过程的物理和化学过程,化学工程师将所有单元操作都可以分解成动量传递、热量传递、质量传递这三种传递过程或它们的结合。此外,这三种传递过程对化学反应的影响逐步形成了一门新的学科——化学反应工程学。在这种背景下,威斯康星大学教授R.B.博德、W.E.斯图尔德和E.N.莱特富特着手编写《传递现象》,先在威斯康星大学试用,经修订后于1960年正式出版。这部著作的出版几乎和当年的《化工原理》一样产生了巨大的影响,成为化学工程发展进入“三传一反”的新时期的标志。在这之间,电子计算机的加入和先前研究的逐步深入,使得化学工程也迅速发展并形成了多个领域(如化工系统工程、流态化工程等)。事实上,我之前说的化工热力学也是在这一段时间才开始快速的发展并形成了一定的体系(如相关特殊的状态方程和活度系数方程的研究)。

  我:没错,对于一个化工系的学生来说,“三传一反”就像化学系的四大化学,是基础中的基础。

  彭霖:是啊!可以说“三传一反”的概念支撑起了现代化工。而且从整体发展上讲,在近几十年中,化学工程并没有突破性的进展。但是化工对我们生活的影响已经不仅仅局限于化学了,化工的分离、传递等原理已经慢慢与多个学科形成了交叉。近十几年来,化学工程更引人注目的发展是在与邻近学科的交叉渗透中已经或正在形成的一些充满希望的新领域。

  我:我做个小小的补充,近年来化工的发展事实上也是有进步的,如1980年由MIT主持做出的ASPEN软件,现在已经可以实现对整个工艺流程的模拟,这使得原本复杂的工艺放大过程可以尽可能的省去多级放大,转而变为二级放大甚至一次性放大(MIT最初就是想要解决多级放大问题,加快研发速度)。

  贾鑫:听完了这些,我可以理解,为什么你们俩总是说化学和化工相差很大了!这么看来,这完全是两个体系嘛。我感觉化学工程的意思更像是利用以基本的化学原理与工程理论结合来解决化学工业中的众多物理、化学过程中出现的问题。

  彭霖:不愧是学霸,对事物认识的非常地深入。那学霸也来讲讲化学的发展史吧,虽然我是一个化工人,但是我还想从化学中汲取一些东西。

  贾鑫:好啊!先前已经说过了,拉瓦锡把化学的发展拉入了定量化学时期。在这一时期原子学说、元素周期律、有机结构理论等众多化学中最基础的基本定律被给出,为现代化学奠定了基础。领入这一时代的代表人物包括十八世纪著名的化学家波义耳、舍勒和拉瓦锡。作为近代化学科学的确立者,波义耳也是化学科学实验的重要奠基人,他把化学确立为科学。舍勒的贡献可以说是18世纪仅有的,他在简陋的实验室中合成了很多“新的”化合物例如氧气、氯气、乳酸、等等。但是,舍勒是一个燃素说的支持者,因此尽管他发现了氧气,但是他的认识并不正确。燃素学说的推翻者是拉瓦锡,1777年拉瓦锡向法国科学院提交了划时代的《燃烧概论》,系统地阐述了燃烧的氧化学说,将燃素说倒立的化学正立过来。在随后的发展中,门捷列夫创立了元素周期律,道尔顿创立了原子论,意大利化学家阿佛加德罗引入了“分子”的概念,这两个概念奠定了现代化学的物质基础。1828年,德国化学家维勒发表了“论尿素的人工合成”的论文动摇了传统的“生命力论”(即有机物只能有有机体生产)的基础,自此,有机合成成为了一个独立的方向。此外,瑞典的贝采里乌斯在维勒、李比希的实验基础上提出了“同分异构”的概念,这导致了有机化合物经典结构理论的建立和发展。

  贾鑫:当然,这时候的人们做科研都是副业,根本不会像我们三一样可以坐在这里讨论历史。但是,当现代物理融入化学之后,化学的发展就变得不一样了。

  彭霖:那我对这一段历史很是感兴趣啊!你之前说的物理学的融入对化学产生了巨大的影响,那也就是说这一段时间物理学让化学快速的发展喽?

  贾鑫:可以这么说吧,这段历史实在太长,我简单的说明一下吧。20世纪末1877年德国化学家Ostwald和荷兰化学家Vant Hoff创刊的《物理化学杂志》标志着物理化学作为一门学科的正式形成。由此形成了热力学和动力学两大解析化学反应的利器,这些理论使我们开始逐步认识化学反应。自从20世纪末,量子力学被提出,对原子结构的解析逐步深入,这使得物理学家和化学家开始有了共同语言,他们希望通过物质结构的解析来实现对化学反应的认识。这一段时间,物理化学已经深入向原子和分子。1931年Pauling和Slater把Lewis提出的共享电子对的共价键概念处理方法推广到其他双原子分子和多原子分子,形成了化学键的价键方法。1932年,Muliken和Hond在处理氢分子的问题时根据不同的物理模型,采用不同的试探波函数,从而发展了分子轨道方法。在这段时间中,结构化学得到了长足的发展,Pauling因此而获得了诺贝尔奖化学奖。此外,不仅仅是化学理论在逐渐的发展,化学的测试方法也在与时俱进,特别是光谱学的发展使得测定分子和原子的结构成为了可能。

  我:我也是在最近的基础课的过程中学习到了一些内容,这些化学问题与化工所面临的问题还是有着本质差距的。

  贾鑫:是的,作为一个化学人,我更关注物质是怎么发生变化的,而化工好像更关心物质从这个变到那个的宏观过程规律。

  彭霖:没错,化工是一门过程的科学,化学是一门物质的科学。我想知道那化学后来的发展是怎样的呢?我感觉现在的化学分支可不仅仅是传统的四大化学吧。

  贾鑫:当然!时间到了20实际60年代之后,理论和实验都取得了进一步的发展。首先是电子计算机的引入,使得量子化学在定量计算方面的发展,特别是福井谦一提出的前线轨道理论以及伍德沃德和霍夫曼提出的分子轨道对称守恒原理的建立是量子化学的重要发展。而在其他化学理论方面,化学家主动吸收物理学和数学的相关知识,解释了耗散结构等问题,并将研究体系引向了非平衡体系(个人认为,非平衡体系才是我们生活中最常见的体系,尽管我们总是用平衡态近似)。我就不具体介绍化学的每一个内容的发展了,我感觉着每一个部分都够我讲1个小时的。

  彭霖:是啊,化学的分支实在太多了,而且每一种理论都是在逐步的发展过程中形成的。

  贾鑫:没错!我想化学始终是一门实验学科,化学家们也一直尽力以一种更加直白可见的方式描述这个世界(比如化学家更喜欢用轨道来描述分子中电子的运动,事实上在物理学中分子轨道是非常不严谨甚至是不正确的说法)。其实化工不也是这样嘛,而且你们的研究问题更加直白。

  彭霖:是的,毕竟化工是宏观世界的科学,即使是假设也没有将其完全归类到微观(化工中最小的近似应该就是流体微团的近似,这个近似仍然远大于原子尺度)。

  贾鑫:哈哈哈,我们化学的研究范围比较大,围观到原子,宏观也可以到行星呢(关于矿物的形成等等问题会拓展到行星)!

  我:兄弟们,快到吃饭的时间了,我们去吃饭吧,关于学科之类的问题,我感觉你们可以下一次再讨论。

温馨提示如有转载或引用以上内容之必要,敬请将本文链接作为出处标注,谢谢合作!



欢迎使用手机扫描访问本站