第4章化学反应与能源解决方案.ppt

2017-5-27 第四章化学反应与能源 4. 1 热化学与能量转化 4. 2 化学反应的方向和限度 4. 3 化学平衡和反应速率 4. 4 氧化还原反应和能源的开发和利用 2017-5-27 4. 1 热化学与能量转化一、热化学能的变化热力学能又称内能,是系统内部所有各种运动的能量的总和,符号为 U。单位( J或kJ) 1、热力学能 U如分子的动能,分子间的势能,分子中原子、电子运动的能量,核内基本粒子间的核能等。?②热力学能是系统的状态函数。△ U = U 2— U 1热力学能的特点: ?①热力学能的绝对值无法确定。 2017-5-27 ?U=U 2-U 1=Q+W 热力学第一定律又称能量守恒定律。 2、热力学第一定律第一类永动机的失败焦耳热功当量实验的成功热力学第一定律的数学表达: 能量的形式可以相互转化,但不会凭空产生,也不会自行消失。由迈尔、焦耳、亥姆霍兹三人独立发现。建立在两个重要的实践基础之上: 德国物理学家医生迈尔英国杰出的物理学家焦耳德国物理学家亥姆霍兹 2017-5-27 3、热和功的性质热——由于温度不同,体系与环境间传递的能量。功——体系与环境间除热以外以其它各种形式传递的能量都叫做功。功分为体积功和非体积功。热和功的单位都为 J或 KJ ,都不是状态函数。体积功——因体系体积变化反抗外力作用与环境交换的能量。非体积功——除体积功外的所有其他功都称为非体积功。 W 体积功=F 外·△L=P 外· A ·△L=P 外· △V 热力学上规定: ?吸热, Q>0;放热, Q<0。?环境对体系做功, W>0; 体系对环境做功, W<0 。 2017-5-27 好简单哟! 例4. 1 某过程中,系统从环境吸收 40 kJ 的热,对环境做功 20 kJ ,求该过程中系统的热力学能变。即完成这一过程后,系统净增了 20 kJ 的热力学能。解: 由热力学第一定律解得: ?U ( 系统) = Q + W = 40 kJ + ( ? 20 kJ )= 20 kJ 2017-5-27 二、化学反应中的热力学能变化和焓变在化学反应中,生成物的总热力学能 U 2 相对于反应物的总热力学能 U 1之间发生了变化,这种热力学能的变化在化学反应过程中以热 Q 的形式表现出来。 1、Q V与?U恒容过程中系统的热量变化 Q V 全部变成的热力学能的改变?U。 Q V = ? U = U 2? U 1 在没有非体积功时: ?V = 0 体积功 p? V 必为零?U = Q +W 热不是状态函数,与过程有关。通常最重要的过程有等容过程(Q V)和等压过程(Q p)。 2017-5-27 2、Q p 与?H 恒压过程中压强 p 不变,体积 V 可以变化,由热力学第一定律 Q p = ?U + p?V = ?U + ( pV 2 ?pV 1) = ( U 2 + pV 2 ) ?(U 1 + pV 1) 得: 恒压过程中系统热量 Q P 的变化等于终态和始态的(U + pV ) 值之差,即?U = Q + W = Q p + ( ?p?V) pV UH??令: 12HHH???——焓——焓变 Q p = H 2 ? H 1 = ? H 2017-5-27 焓(H)的性质:①焓是状态函数,具有加和性,单位: J、 kJ ,当Δ?= 1mol 时, 单位: kJ · mol -1、J· mol -1。②焓的绝对值无法求,但其变量可通过? rH m = Q P计算。③可逆反应?H值相等,符号相反。④吸热反应?H>0 , 放热反应?H<0。虽然我们由等压过程引入了焓的概念,但并不是说只有等压过程才有焓这个热力学函数。 2017-5-27 3、?U和?H的关系反应的?(pV )值很小,可忽略不计,则: ?H??U ?U = ?H??(pV ) H = U + pV (1) 当反应物和生成物都为固态和液态时, 讨论: (2) 当有气体参与的化学反应时, 在等温等压条件下,有: 即: ?H = ?U + ?n (g) RT p 1 = p 2 ,T 1 = T 2 ,?(pV )= ? nRT ?n (g) = 生成物气体的物质的量?反应物气体的物质的量 2017-5-27 Q v = –[C w (H 2 O) · m (H 2 O) + C s ] ·ΔT 弹式量热器示意图 C w (H 2 O) 为水的质量热容 m (H 2 O) 为水的质量 C s为钢弹及内部物质和金属容器组成的物质系统的总热容?T为测量过程中温度计的最终读数与起始读数之差三、等容过程中的热量 Q V测定温度计点火线搅拌器样品水绝热外套和钢质容器