能量轉(zhuǎn)化及計(jì)算.doc

河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院教案第五講第二章 能量轉(zhuǎn)化及計(jì)算“十一五”期間，石油和化工行業(yè)面臨著節(jié)能減排的雙重嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，“十一五”后幾年的節(jié)能減排任務(wù)更加繁重，難度更大。利用熱力學(xué)第一、第二定律對化工生產(chǎn)過程進(jìn)行熱力學(xué)分析，確定過程的熱效率，分析影響能量利用效率的各種因素，從而在熱力學(xué)的限度內(nèi)指出減少能量損耗或節(jié)能的方向和途徑。.如在合成氨廠，對一氧化碳變換工序進(jìn)行節(jié)能分析，可以得知在整個(gè)系統(tǒng)中以變換爐的能損為最大，約占整個(gè)能損的近一半。從而改革從變換爐著手，已達(dá)到節(jié)能降耗的目的。2.2熱力學(xué)第一定律（一）一、熱和功1. 熱(Q)系統(tǒng)與環(huán)境之間由于溫差而交換的能量稱為熱。熱分為三種：化學(xué)變化熱、相變熱、顯熱。2.功(W)系統(tǒng)與環(huán)境之間除熱以外交換的能量統(tǒng)稱為功。功可分為兩大類：體積功和非體積功熱和功不是狀態(tài)函數(shù)，是途徑函數(shù)，無限小的熱以Q表示，無限小的功以W表示二、體積功有關(guān)計(jì)算體積功的定義式為反抗外力系統(tǒng)體積變化時(shí)做功。若外壓恒定或恒壓三、可逆體積功 可逆過程例如，由初態(tài)（600KPa，1dm3）分別經(jīng)過一次、兩次、三次膨脹到（100KPa，6dm3），分別計(jì)算膨脹過程的功，按原過程的反方向變化，分別計(jì)算壓縮功，進(jìn)行比較，再換成極細(xì)小的沙粒，經(jīng)過無數(shù)次的膨脹和壓縮，得出可逆過程的結(jié)論?？赡骟w積功對于理想氣體的恒溫可逆過程，因有 或 所以 或 可逆過程特點(diǎn)可逆過程具有如下特點(diǎn)：(1)可逆過程是以無限小的變化進(jìn)行的，整個(gè)過程的每一步都是無限接近于平衡的狀態(tài)?？赡婕雌胶?。(2)可逆過程的進(jìn)行是無限緩慢的，要可逆的實(shí)現(xiàn)一個(gè)有限的過程，需要無限長的時(shí)間。(3)可逆過程進(jìn)行時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)力和阻力相差無限小。所以，可逆過程系統(tǒng)做功最多，環(huán)境消耗功最少。(4)若變化按原過程的逆方向進(jìn)行，系統(tǒng)和環(huán)境可同時(shí)恢復(fù)原狀。四、熱力學(xué)能熱力學(xué)能是系統(tǒng)內(nèi)部各種能量的總和。用“U”表示，由以下三個(gè)部分組成：分子內(nèi)部的動(dòng)能。是系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)的能量，是溫度的函數(shù)。分子間相互作用的勢能。是分子間相互作用而具有的能量，是體積的函數(shù)。分子內(nèi)部的能量。是分子內(nèi)部各種微粒運(yùn)動(dòng)的能量與微粒間相互作用的能量之和，在系統(tǒng)無化學(xué)反應(yīng)和相變化的情況下，此部分能量不變明確以下幾點(diǎn)：（1）力學(xué)能是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，是系統(tǒng)的廣延性質(zhì)。（2）理想氣體的熱力學(xué)能只是溫度的函數(shù)，即。（3）系統(tǒng)熱力學(xué)能的絕對值還無法確定三、熱力學(xué)第一定律1、熱力學(xué)第一定律文字表述不供給能量而可連續(xù)不斷產(chǎn)生能量的機(jī)器，叫第一類永動(dòng)機(jī)。第一類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量有不同的形式，可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，在轉(zhuǎn)化過程中其總值不變。2、熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達(dá)式封閉系統(tǒng)中熱力學(xué)能的改變值等于變化過程中系統(tǒng)與環(huán)境交換的熱和功的總和 對于封閉系統(tǒng)的微小變化過程，則有明確以下幾點(diǎn)（1） 此處W=W（體）+W（2） Q、W是過程函數(shù)；（3） 是系統(tǒng)內(nèi)能增大有兩條途徑。小結(jié)：通過本次課的學(xué)習(xí)，掌握體積功的有關(guān)計(jì)算，理解可逆過程。第六講 2.2 恒容熱、恒壓熱及焓一、恒容熱 系統(tǒng)進(jìn)行W=0的恒容過程與環(huán)境交換的熱，稱為恒容熱，用“QV”表示。 或 上式表明，（1）恒容熱等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化量。換句話說，在不作非體積功的恒容過程中，封閉系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量；系統(tǒng)所減少的內(nèi)能全部以熱的形式傳給環(huán)境。（2）QV與 U的物理意義不同，但數(shù)值相同，熱不是狀態(tài)函數(shù)，不能由系統(tǒng)的始終狀態(tài)決定 變化時(shí)的Q但在特定條件下，熱可以由系統(tǒng)的某些狀態(tài)函數(shù)的變化值來確定。 二、恒壓熱及焓系統(tǒng)進(jìn)行W=0的恒壓過程時(shí)與環(huán)境交換的熱，稱為恒壓熱，用“Qp”表示。1. 焓的定義： （1）焓是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，無明確物理意義，是系統(tǒng)的廣延性質(zhì)；（2）焓的絕對值也無法測算；（3）理想氣體的焓和內(nèi)能一樣，只是溫度的函數(shù)，。（）HU 2. 恒壓熱與焓的關(guān)系 p1=p2=p環(huán)=恒定值，并且 W=0 W=-P外V, 又 U=Q+W， Q= U+P2V2P1V1=(U2+P2V2)(U1+P1V1)=H2H1=H 或 需要指出的是：焓是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，只要系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，就有焓變，并非只有恒壓過程才有焓變，只是在恒壓不作非體積功的過程中存在而已。和兩式的出現(xiàn)，給和的計(jì)算帶來了方便，只要測得和，即可得到和。但是數(shù)值上的相等，并不等于性質(zhì)上的等同，和是狀態(tài)函數(shù)變量，只與始終態(tài)有關(guān)，而熱仍然是與過程有關(guān)的物理量。2.3 熱容一、平均摩爾熱容與真熱容1. 平均熱容：在不發(fā)生相變化和化學(xué)變化的條件下，封閉系統(tǒng)溫度升高1K所需的熱量 溫度區(qū)間不同，平均熱容也不同 2. 真熱容：要求出某溫度下的熱容值，必須將溫度區(qū)間選為無限小，即 定義為熱容，單位為J/K，其數(shù)值與系統(tǒng)的量有關(guān)。若熱容除以質(zhì)量，則稱為比熱容（），單位是J/（Kkg）；若熱容除以物質(zhì)的量，則稱為摩爾熱容（），單位是J/（Kmol）。在物理化學(xué)中一般指摩爾熱容。二、恒容摩爾熱容不作非體積功的恒容過程， 積分得 若不隨溫度發(fā)生變化，則 三、恒壓摩爾熱容 不作非體積功的恒壓過程，則有 積分得 若不隨溫度發(fā)生變化，則 四、與的關(guān)系根據(jù)焓的定義，微分可得 1）理氣 ， 2）凝聚態(tài) 五、熱容與溫度的關(guān)系 例題（書）23補(bǔ)充：mol單原子分子理想氣體，從始態(tài)（105Pa,300K）分別經(jīng)過下列各可逆過程到達(dá)終點(diǎn)，求各可逆過程的Q、W、U、H已知Cvm=(3/2)R1） 恒容升溫到400K；(0, 2494.2J; 4157J)2） 恒壓升溫到400K；(-1662.8J, 4157J, 2494.2J)3） 恒溫可逆膨脹到104Pa ；(0, -11486.2J, 11486.2J)4） 絕熱可逆膨脹到(04Pa。119K) （514.5J, -7524.17J, -4514.5J)小結(jié)： 掌握U、H的計(jì)算，理解焓的概念。第七講 2.5 熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用（一）一、理想氣體p、V、T變化過程1.恒溫過程由于理想氣體的熱力學(xué)能和焓是溫度的單值函數(shù)，所以理想氣體的恒溫過程 ，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，得 1）理想氣體的恒溫恒外壓過程，則有 2）理想氣體的恒溫可逆過程 2.恒容過程由于系統(tǒng)的體積不變，故不作功，即W=0。若氣體的熱容不隨溫度發(fā)生變化， 按焓的定義，則焓變?yōu)?- 3.恒壓過程不作非體積功的恒壓過程，體積功； 若氣體的熱容不隨溫度發(fā)生變化， 按熱力學(xué)第一定律得 -4. 絕熱過程 對于封閉系統(tǒng)的絕熱過程，因，則有 （2-19）對于不作非體積功的理想氣體絕熱過程，則有 -二、理想氣體的絕熱過程1. 恒外壓的絕熱不可逆過程又 所以解出T22. 絕熱可逆過程所以 整理得 得 又因理想氣體有，將此關(guān)系代入上式，則有令，稱為熱容商常數(shù)以代入 則常數(shù)以代入 則常數(shù)例題小結(jié)：掌握熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用。第八講2.5 熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用（二）三、相變化過程1. 概念1）相：系統(tǒng)中性質(zhì)完全相同的均勻的部分稱為相。 2）相變：物質(zhì)由一種聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種聚集狀態(tài)的過程。相變過程有可逆相變和不可逆相變之分。（1）物質(zhì)在相平衡溫度和壓力下進(jìn)行的相變?yōu)榭赡嫦嘧儯唬?）不在相平衡的溫度和壓力下進(jìn)行的相變?yōu)椴豢赡嫦嘧儭?）相變焓：1mol物質(zhì)可逆相變時(shí)的焓變。例如，蒸發(fā)與冷凝，熔化與凝固，升華與凝華等2. 相變化過程的有關(guān)計(jì)算1 ）可逆相變=n.H（氣液之間、，固液之間、相變時(shí)的有關(guān)計(jì)算）2) 不可逆相變，設(shè)計(jì)過程計(jì)算例題補(bǔ)充題：1、加熱1mol，25，101.325kpa的液態(tài)水，變?yōu)?20，101.325kpa的水蒸氣，計(jì)算Q、W、U、H。（已知條件看例題）答案；W=-3.26kJ、U=43.71kJ、H=46.99kJ。2、在恒壓101.325kpa下，逐漸加熱1mol，25的液態(tài)苯，始之成為100的苯蒸氣，求此過程的Q、W、U、H。已知苯在101.325kpa下的沸點(diǎn)為80.2該溫度下，摩爾蒸發(fā)焓30.783kJ.mol-1。Cp.m(l)=131Jk-1mol-1；Cp.m(g)=101.9Jk-1mol-1答案；W=-3.1kJ、U=36.929kJ、H=40.032kJ。小結(jié)：掌握熱力學(xué)第一定律對相變化的應(yīng)用。第九講2.5化學(xué)反應(yīng)熱一、基本概念 1. 化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量方程式a A + d D e E + f F也可寫為 0 = e E + f Fa Ad D或化簡為 0 = 2.反應(yīng)進(jìn)度 定義： 對于同一化學(xué)反應(yīng)方程式則有：3. 摩爾反應(yīng)熱力學(xué)能變和摩爾反應(yīng)焓反應(yīng)進(jìn)度為1mol時(shí)反應(yīng)的熱力學(xué)能變和焓變分別寫作rUm、rHm，分別稱為摩爾反應(yīng)熱力學(xué)能變和摩爾反應(yīng)焓。單位為J/mol或kJ/mol。對于恒壓反應(yīng)過程，其反應(yīng)熱稱為恒壓熱效應(yīng)，Qp=rH，也稱反應(yīng)焓。對于恒容反應(yīng)過程，其反應(yīng)熱稱為恒容熱效應(yīng)，QV=rU，也稱反應(yīng)熱力學(xué)能變。4. rU和rH的關(guān)系理想氣體：；5.熱化學(xué)方程式表示化學(xué)反應(yīng)條件及反應(yīng)熱效應(yīng)的化學(xué)計(jì)量方程式稱為熱化學(xué)方程式寫出化學(xué)反應(yīng)計(jì)量方程式，標(biāo)明各物質(zhì)的相態(tài)。氣、液、固態(tài)分別用g、l、s表示。固體若有不同的晶型，則應(yīng)標(biāo)明晶型。注明反應(yīng)的溫度和壓力。以表示反應(yīng)熱效應(yīng)時(shí)，應(yīng)在后面用括號注明溫度。參加反應(yīng)的各物質(zhì)處于標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時(shí)，其熱效應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)熱效應(yīng)，則在的右上角用“”標(biāo)注。中的r表示化學(xué)反應(yīng)，m表示反應(yīng)進(jìn)度為1mol。將熱效應(yīng)的數(shù)值連同單位寫在化學(xué)反應(yīng)計(jì)量式的后面。二、.物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓和標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓1. 標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓 (B，T)則由最穩(wěn)定單質(zhì)直接化合生成1mol物質(zhì)B時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓，稱為物質(zhì)B的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。注：指定溫度的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的最穩(wěn)定單質(zhì)的焓值為零。2. 標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓， （B，T），在指定溫度的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1mol物質(zhì)B與氧氣進(jìn)行完全燃燒反應(yīng)，生成指定的燃燒產(chǎn)物時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓，稱為物質(zhì)B的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓。完全燃燒是指燃燒物質(zhì)變成最穩(wěn)定的氧化物或單質(zhì)，如C變成CO2，H被氧化成H2O（l），S、N、Cl等元素分別變成SO2（g）、N2（g）、HCl（水溶液）等。注：指定燃燒產(chǎn)物及氧氣的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓為零。小結(jié)：理解反應(yīng)計(jì)量式及反應(yīng)進(jìn)度，掌握rHm、rUm的關(guān)系，掌握fHm(B，T)及cHm(B，T)。第十講三、標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓的計(jì)算1. 蓋斯定律任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，在整個(gè)過程是恒壓或恒容時(shí)，不管是一步完成還是分幾步完成，其熱效應(yīng)總值不變。這個(gè)結(jié)論稱為蓋斯定律。2.利用標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓由例題推出 aA + dD eE +f F 或 3.利用標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓由例題推出4.摩爾反應(yīng)焓與溫度的關(guān)系設(shè)反應(yīng) aA + dD eE + f F中，參加反應(yīng)的各物質(zhì)在T1、T2時(shí)均處于標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，其與之間的聯(lián)系可列出以下圖示：aA + d D T1e E + f F T1F e E + f F T2aA + d D T2 由焓的性質(zhì)可知：+ 稱為基爾霍夫公式其中在應(yīng)用基爾霍夫公式時(shí)應(yīng)注意到：一化學(xué)反應(yīng)在溫度變化范圍內(nèi)，參加反應(yīng)的物質(zhì)不能有相態(tài)變化。例題已知298K時(shí)物質(zhì) (KJmol-1) Cp.m（Jmol-1K-1）CO(g) -111 29.14CO2(g) -394 37.13H2(g) 28.83CH3OH(g) -201.2 45.2H2O(g) -242 33.57H2O(l) -286 75.3求（1）H2(g)的燃燒焓 -286 KJmol-1 （2）CH3OH(g) 的燃燒焓 -764.8 KJmol-1（3）CO(g)+2 H2(g)= CH3OH(g)反應(yīng)的恒壓摩爾反應(yīng)焓 -90.2 （4）該反應(yīng)的摩爾反應(yīng)內(nèi)能 -85.24 KJmol-1（5）計(jì)算該反應(yīng)在670K時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓 -15.475 KJmol-1 小結(jié)：掌握蓋斯定律，掌握rHm(298K)及rHm(T) 的有關(guān)計(jì)算。第十一講熱力學(xué)第一定律小結(jié)一 基本概念1. 體系：熱力學(xué)中將所研究的對象稱為體系。2. 體系分類：封閉體系，敞開體系，隔離體系。3. 體系的性質(zhì)：容量性質(zhì)，強(qiáng)度性質(zhì)。4. 狀態(tài)函數(shù)：描述體系狀態(tài)的宏觀物理量。5. 狀態(tài)函數(shù)的特征：1） 狀態(tài)確定，狀態(tài)函數(shù)具有確定的值2） 狀態(tài)函數(shù)的變化值，只取決于初終態(tài)與過程無關(guān)。6. 過程：恒溫過程，恒壓過程，恒容過程，絕熱過程，循環(huán)過程。7. 可逆過程：能通過原來過程反方向變化，體系和環(huán)境同時(shí)復(fù)原。二 PVT的變化1. 熱力學(xué)第一定律： (封閉)2. 焓：3. 恒容熱4. 恒壓熱5. 熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用（Q、W、U、H）的有關(guān)計(jì)算三 相變（恒溫恒壓可逆相變）（Q、W、U、H）的有關(guān)計(jì)算四 化學(xué)變化1. 蓋斯定律：一個(gè)化學(xué)反應(yīng)不論是一步完成還是分?jǐn)?shù)步完成，其熱效應(yīng)總是相同的。 熱效應(yīng)：恒壓熱效應(yīng) H ；恒容熱效應(yīng) U；（H=U+RTng）2. 標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下由穩(wěn)定單質(zhì)生成1mol物質(zhì)的摩爾反應(yīng)焓1） 各種穩(wěn)定單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為零。2） 反應(yīng)物必須全都是穩(wěn)定單質(zhì)。3） 生成物是1mol.3. 標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1mol物質(zhì)完全燃燒的摩爾反應(yīng)焓。1） 完全燃燒的產(chǎn)物以及氧氣的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓為零。2） 燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物必須是指定的產(chǎn)物及相態(tài)。3） 被燃燒的反應(yīng)物是1mol物質(zhì)完全燃燒的產(chǎn)物 CCO2（g）， HH2O（l）， NN2（g）， SSO2 （g）,XHX (g).4. 反應(yīng)焓與溫度的關(guān)系1） 無相變發(fā)生（基爾霍夫定律）。2） 有相變發(fā)生設(shè)計(jì)過程分步計(jì)算。習(xí)題課1. 1mol理想氣體，初態(tài)為298.2K，600KPa，當(dāng)反抗恒定外壓P外=100KPa膨脹至其體積為原來的6倍，壓力等于外壓時(shí)，試計(jì)算過程的Q，W，U，H。2. 有10dm3單原子分子理想氣體從0 ，1013.25KPa的初態(tài)達(dá)到壓力為101.325KPa，分別經(jīng)過下列過程：(1)恒溫可逆膨脹（2）絕熱可逆膨脹（3）反抗恒定外壓P外=101.325KPa下的絕熱膨脹；計(jì)算各過程當(dāng)中氣體的最終體積，溫度及過程的Q，W，U，H。3. 1克水由100 ，101.325KPa蒸發(fā)為100，101.325KPa的水蒸氣，求以下各過程的Q，W，U，H。（1）外壓保持101.325KPa的可逆過程，吸熱2259J；（2）外壓恒為50.6625KPa時(shí)等溫蒸發(fā)，全部變?yōu)檎魵?，在緩慢加壓至終態(tài)；（3）將水恒溫真空蒸發(fā)至終態(tài)。4. 有一單原子理想氣體，由某一狀態(tài)（373K，101.3KPa，1*