《热化学与能源》PPT课件.ppt
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1、首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1热化学与能源第1章首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2学习要求学习要求:了解定容热效应了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉的测量原理。熟悉qv的实验的实验 计算计算 方法。方法。了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热力学能变的关系。力学能变的关系。掌握标准摩尔反应焓变的近似计算掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。了解能源的概况,燃料的热值和可持续发展战略了解能源的概况,燃料的热值和可持续发展战
2、略。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页3目录目录1.1 反应热的测量反应热的测量1.2 反应热的理论计算反应热的理论计算1.3 常见能源及其有效与清洁利用常见能源及其有效与清洁利用1.4 清洁能源与可持续发展清洁能源与可持续发展选读材料 核能.核燃料和核能的来源.核电的优势与发展趋势本章小结本章小结首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页41.1 反应热的测量反应热的测量系统:作为研究对象的那一部分物质和空间。系统:作为研究对象的那一部分物质和空间。环境:系统之外,与系统密切联系的其它物质和环境:系统之外,与系统密切联系的其它物质和 空间。空间。开放系统开放系统有物质和能量交换有物质和能
3、量交换封闭系统封闭系统只有能量交换只有能量交换1.1.1 几个基本概念几个基本概念1 系统与环境系统与环境图1.1 系统的分类隔离系统隔离系统无物质和能量交换无物质和能量交换首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页52 相相系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分称系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分称为相。根据相的概念,系统可分为:为相。根据相的概念,系统可分为:单相(均匀)系统单相(均匀)系统多相(不均匀)系统多相(不均匀)系统 相与相之间有明确的界面相与相之间有明确的界面。思考思考:,273.15K(0C)下,H2O(l),H2O(g)和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多
4、少。2)CaCO3(s)分解为CaO(s)和CO2(g)并达到平衡的系统中的相数。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页63 状态与状态函数状态与状态函数状态函数状态函数用于表示系统性质的物理量用于表示系统性质的物理量X 称状态函数,如气体的称状态函数,如气体的压力压力p、体积、体积V、温度、温度T 等。等。状态就是系统一切性质的总和。有平衡和非平衡态之状态就是系统一切性质的总和。有平衡和非平衡态之分。分。如系统的宏观性质都处于定值,则系统为平衡态。如系统的宏观性质都处于定值,则系统为平衡态。状态变化时,系统的宏观性质也必然发生部分或全部状态变化时,系统的宏观性质也必然发生部分或全部变化。变
5、化。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页7状态函数的性质状态函数的性质 状态函数是状态的单值函数。状态函数是状态的单值函数。当系统的状态发生变化时,状态函数的变化量只与系统当系统的状态发生变化时,状态函数的变化量只与系统的始、末态有关,而与变化的实际途径无关。的始、末态有关,而与变化的实际途径无关。图1.2 状态函数的性质以下例子说明:当系统由始态变到终态时,系统的状态函数压力p和体积V的变化量与途径无关。系统压力从3p变为p首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页8广度性质和强度性质广度性质和强度性质状态函数可分为两类:状态函数可分为两类:广度性质:广度性质:其量值具有加和性加和性,如体
6、积、质量等。强度性质:强度性质:其量值不具有加和性不具有加和性,如温度、压力等。思考思考:力和面积是什么性质的物理量?它们的商即压强力和面积是什么性质的物理量?它们的商即压强(热力学中称为压力热力学中称为压力)是强度性质的物理量。由此可以得出是强度性质的物理量。由此可以得出什么结论?什么结论?推论推论:摩尔体积摩尔体积(体积除以物质的量体积除以物质的量)是什么性质的物理量?是什么性质的物理量?力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度性质力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度性质的物理量的商是一个强度性质的物理量。的物理量的商是一个强度性质的物理量。首页首页上一页上一页下一页下一页末页
7、末页94 过程与途径过程与途径 系统状态发生任何的变化称为过程;系统状态发生任何的变化称为过程;可逆过程可逆过程体系经过某一过程,由状态体系经过某一过程,由状态变到状态变到状态之后,之后,如果通过逆过程能使体系和环境都完全复原,这如果通过逆过程能使体系和环境都完全复原,这样的过程称为可逆过程。它是在一系列无限接近样的过程称为可逆过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程。平衡条件下进行的过程。实现一个过程的具体步骤称途径实现一个过程的具体步骤称途径。思考思考:过程与途径的区别过程与途径的区别?设想如果你要把设想如果你要把20 C的水烧开,要完成的水烧开,要完成“水烧开水烧开”这个这个过程,
8、你可以有多种具体的过程,你可以有多种具体的“途径途径”:如可以在水壶中常:如可以在水壶中常压烧;也可以在高压锅中加压烧。压烧;也可以在高压锅中加压烧。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页105 化学计量数化学计量数一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系,关系,通式为:通式为:B 称为B 的化学计量数。符号规定:反应物:B为负;产物:B为正。附例附例 应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式:N2+3H2=2NH3解:解:用化学反应通式表示为:0=-N2-3H2+2NH3首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页116 反应
9、进度反应进度反应进度反应进度 的定义:的定义:反应进度的单位是摩尔(mol),它与化学计量数的选配有关。nB 为物质B的物质的量,d nB表示微小的变化量。或定义思考思考:反应进度与化学反应方程式的书写有关吗?有关。如对于反应:N2 3H2=2NH3,当有1mol NH3生成时,反应进度为0.5mol。若将反应写成则反应进度为1 mol。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页12 反应热的测量反应热的测量反应热反应热指化学反应过程中系统放出或吸收的热量。指化学反应过程中系统放出或吸收的热量。热化学规定:系统热化学规定:系统放热为负放热为负,系统,系统吸热为正吸热为正。摩尔反应热摩尔反应热指当
10、反应进度为指当反应进度为1 mol时系统放出或吸时系统放出或吸收的热量。收的热量。思考思考:反应热有定容反应热和定压反应热之分。前者的反应条件是恒容,后者的反应条件是恒压。用弹式量热计测量的反应热是定容反应热还是定压反应热?答:定容反应热答:定容反应热(等容)反应热可在弹式量热计中精确地测量。测量反应热是热化学的重要研究内容。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页131 反应热的实验测量方法反应热的实验测量方法设有n mol物质完全反应,所放出的热量使弹式量热计与恒温水浴的温度从T1上升到T2,弹式量热计与恒温水浴的热容为Cs(JK-1),比热容为cs(JK-1kg-1),则:由于完全反应,
11、=n因此摩尔反应热:图1.3 弹式量热计首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页14示例示例 例例1.1 联氨燃烧反应:N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l)已知:解解:燃烧:燃烧0.5g联氨放热为联氨放热为首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页152 热化学方程式热化学方程式 表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。其标准写法是:程式。其标准写法是:先写出反应方程,再写出相先写出反应方程,再写出相应反应热,两者之间用分号或逗号隔开应反应热,两者之间用分号或逗号隔开。例如:。例如:标明反应温度、压力及反应物、生成物的标明反
12、应温度、压力及反应物、生成物的 量和状态;量和状态;书写热化学方程式时应注意:书写热化学方程式时应注意:N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l);2H2(g)+O2(g)=2H2O(l);若不注明若不注明T,p,皆指在皆指在T=298.15 K,p=100kPa下。下。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页16 反应热与反应式的化学计量数有关;反应热与反应式的化学计量数有关;一般标注的是等压热效应一般标注的是等压热效应qp。思考思考:qp与qv相同吗?。不相同不相同首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页171.2 反应热的理论计算反应热的理论计算 并不是所有的反应热都可以实验
13、测定。例如反应:2C(s)+O2(g)=2CO(g)思考思考:为什么上述反应的反应热无法实验测定?实验过程中无法控制生成产物完全是实验过程中无法控制生成产物完全是CO。因此,只能用理论方法来计算反应热。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页18 热力学第一定律热力学第一定律封闭系统,不做非体积功时,若系统从环境吸封闭系统,不做非体积功时,若系统从环境吸收热收热q,从环境得功从环境得功w,则系统内能的增加,则系统内能的增加U(U2 U1)为:为:U=q+w热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力学中的的应用。学中的的应用。其中,其中,内能内能现称为热力学
14、能。现称为热力学能。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页191 热力学能热力学能系统内部运动能量的总和。内部运动包括分子的平系统内部运动能量的总和。内部运动包括分子的平动、转动、振动以及电子运动和核运动。动、转动、振动以及电子运动和核运动。思考思考:同样的物质,在相同的温度和压力下,前者放在同样的物质,在相同的温度和压力下,前者放在10000m高空,以高空,以400m/s飞行的飞机上,后者静止在地面上。飞行的飞机上,后者静止在地面上。两者的内能相同吗?两者的内能相同吗?相同。相同。内能的特征:内能的特征:状态函数状态函数 无绝对数值无绝对数值 广度性质广度性质由于分子内部运动的相互作用十分
15、复杂,因此目前尚无法由于分子内部运动的相互作用十分复杂,因此目前尚无法测定内能的绝对数值。测定内能的绝对数值。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页202 热热在物理或化学变化的过程中,系统与环境在物理或化学变化的过程中,系统与环境存在温度差而交换的能量称为热。存在温度差而交换的能量称为热。热的符号规定:热的符号规定:系统吸热为正,系统放热为负。系统吸热为正,系统放热为负。热量热量q不是状态函数不是状态函数首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页213 功与体积功功与体积功在物理或化学变化的过程中,系统与环境除热以在物理或化学变化的过程中,系统与环境除热以外的方式交换的能量都称为功。外的方式
16、交换的能量都称为功。功的符号规定:功的符号规定:(注意功符号的规定尚不统一)(注意功符号的规定尚不统一)系统得功为正,系统作功为负。系统得功为正,系统作功为负。由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体积功积功w体体。所有其它的功统称为非体积功。所有其它的功统称为非体积功w。功功w也不是状态函数也不是状态函数思考思考:1mol理想气体,密闭在1)气球中,2)钢瓶中;将理想气体的温度提高20C时,是否做了体积功?1)1)做体积功,做体积功,2)2)未做体积功。未做体积功。w=w体体+w 首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页22热热无序能;功无序能
17、;功有序能;能的品位不同。有序能;能的品位不同。一封闭系统,热力学能一封闭系统,热力学能U1,从环境吸收热,从环境吸收热q,得功,得功w,变到状态,变到状态2,热力学能热力学能U2,则有:,则有:U1U2q 0w 0U=q+w首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页234 体积功体积功w体体的计算的计算等外压过程中,体积功等外压过程中,体积功w体体=p 外外(V2 V1)=p外外V pp外外=F/Al p外外=F/A,l=V/A2,因此,体积功因此,体积功w体体=F l =(p外外 A)(V/A)=p外外 V 图1.4 体积功示意图首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页245 理想气体的体积
18、功理想气体的体积功理想气体的定义理想气体的定义:气体分子不占有体积,气体分子之间的作用力为0的气态系统被称为理想气体。理想气体的状态方程理想气体的状态方程:附例附例 1 mol理想气体从始态3经等温恒外压p2=50kPa膨胀到平衡,求系统所做的功。解解:终态平衡时的体积为:终态平衡时的体积为:负值表示系统对外做功。负值表示系统对外做功。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页256.热力学能的组成部分和波谱分析概要热力学能的组成部分和波谱分析概要*(1)平动能平动能 Ut:质点在三维空间的平动运动有关的:质点在三维空间的平动运动有关的能量。通常只有流体质点具有该能量。能量。通常只有流体质点具有
19、该能量。(2)转动能转动能Ur:质点环绕质心转动所具有的能量。单:质点环绕质心转动所具有的能量。单原子气体没有该能量。原子气体没有该能量。(3)振动能振动能 Uv:与分子或多原子离子中的组成原子间:与分子或多原子离子中的组成原子间相对的往复运动有关的能量。物质具有零点震动能。相对的往复运动有关的能量。物质具有零点震动能。(4)电子能电子能 Ue:原子核与电子之间的相互作用系统所:原子核与电子之间的相互作用系统所具有的能量。它是化学反应中能量变化的主要部分。具有的能量。它是化学反应中能量变化的主要部分。以上形式的能量依次增大,且它们均是量子化的。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页26波谱分
20、析概要波谱分析概要*利用物质发射或吸收电磁辐射波来进行定性及定量分析的测试方法。一般地,根据波长可进行定性分析;根据波谱强度可进行定量分析。图1.13 500 MHz核磁共振波谱仪首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页271.2.2 化学反应的反应热与焓化学反应的反应热与焓 通常把反应物和生成物具有相同温度时,系统吸通常把反应物和生成物具有相同温度时,系统吸收或放出的热量叫做收或放出的热量叫做反应热反应热。根据反应条件的不同,反应热又可分为:根据反应条件的不同,反应热又可分为:定容反应热定容反应热恒容过程,体积功w体=0,不做非体积功 w=0时,所以,w=w体+w=0,qV=U 定压反应热定
21、压反应热恒压过程,不做非体积功时,w体=p(V2V1),所以qp=U+p(V2V1)思考思考:这两个公式有什么用处?可以利用这两个公式计算反应热。可以利用这两个公式计算反应热。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页28U=q+w1 焓焓w=p(V2 V1)=pV 焓焓的引入的引入 qP=U+p(V2 V1)=(U2-U1)+p(V2 V1)=(U2+p 2V2)(U1+p 1V1)首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页291 焓焓公式公式qp=H 的意义:的意义:等压热效应即为焓的增量,所以可以通过等压热效应即为焓的增量,所以可以通过H的计算求出的计算求出qP 的的值。值。令令 H=U+p
22、 V则则qp=H2 H1=HH 称为称为焓焓,是一个重要的热力学函数。,是一个重要的热力学函数。思考思考:焓是状态函数吗?能否知道它的绝对数值?是状态函数,但不能知道它的绝对数值。是状态函数,但不能知道它的绝对数值。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页302 定容反应热与定压反应热的关系定容反应热与定压反应热的关系已知定容反应热:qV=U;定压反应热:qp=Up+p(V2 V1)等温过程,Up UV,则:qp qV=n2(g)RT n1(g)RT=n(g)RT对于理想气体反应,有:对于有凝聚相参与的理想气体反应,由于凝聚相相对气相来说,体积可以忽略,因此在上式中,只需考虑气体的物质的量。H
23、 U=qp qV=p(V2 V1)思考思考:若反应 C(石墨)+O2(g)CO2(g)的qp,m为393.5kJmol 1,则该反应的qV,m 为多少?该反应的该反应的n(g)=0,qV=qp 所以所以对于没有气态物质参与的反应或对于没有气态物质参与的反应或n(g)0的反应,的反应,qV qp对于有气态物质参与的反应,且对于有气态物质参与的反应,且n(g)0的反应,的反应,qV qp首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页313 盖斯定律盖斯定律 化学反应的恒压或恒容反应热只与物质的始态或化学反应的恒压或恒容反应热只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关。终态有关而与变化的途径无关。始态始态
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