1、的功统称为非体积功w 。 功w也不是状态函数 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)做体积功，2)未做体积功。 w= w体+ w 首页上一页下一页末页 27 思考：水能变油吗？ 热无序能；功有序能；能的品位不同。 一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热q ，得功 w，变到状态2,热力学能U2，则有： U1 U2 q 0 w 0 U = q +w 首页上一页下一页末页 28 4 体积功w体的计算 等外压过程中，体积功 w体= p 外(V2 V1) = p外V pp外 = F / A l p外 = F / A，l = V /
2、A2， 因此，体积功 w体= F l = (p外 A) (V/A) = p外 V 图1.4 体积功示意图 首页上一页下一页末页 29 5 理想气体的体积功 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： 附例1.2 1 mol理想气体从始态100kPa, 22.4dm3经等温恒外 压p2 = 50kPa膨胀到平衡，求系统所做的功。 解：终态平衡时的体积为： 负值表示系统对外做功。 首页上一页下一页末页 30 6.热力学能的组成部分和波谱分析概要* (1)平动能 Ut：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
3、量。 (2)转动能Ur：质点环绕质心转动所具有的能量。单 原子气体没有该能量。 (3)振动能 Uv：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。 (4)电子能 Ue：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 。 以上形式的能量依次增大，且它们均是量子化的。 首页上一页下一页末页 31 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 首页上一页下一页末页 32 1. 2. 2 化
4、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，系统吸收或 放出的热量叫做反应热。 根据反应条件的不同，反应热又可分为： 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 恒压过程，不做非体积功时， w体= p(V2V1)，所以 qp = U + p(V2V1) 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。 首页上一页下一页末页 33 1 焓 qP =U + p(V2 V1) = (U2 - U1)+ p(V2 V1) = (U2 + p 2V2) (U1 + p 1V1) 公式qp =H
5、的意义： 等压热效应即为焓的增量，所以可以通过H的计算求出qP 的 值。 令 H = U + p V 则qp =H2 H1=H H 称为焓，是一个重要的热力学函数。 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。 首页上一页下一页末页 34 2 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，
6、只需考虑气体 的物质的量。 H U = qp qV = p(V2 V1) 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n(g) = 0， qV = qp 所以对于没有气态物质参与的反应或n(g) 0的反应，qV qp 对于有气态物质参与的反应，且n(g)0的反应，qV qp 首页上一页下一页末页 35 3 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终 态有关而与变化的途径无关。 始态 C(石墨) + O2(g) 终态 CO2(g) 中间态 CO(g) + O2(g) 即热化学方程式可像代数式那样进
7、行加减运算。 首页上一页下一页末页 36 盖斯定律示例 由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可 以加和。 附例1.3 已知反应和的反应焓， 计算的反应焓， 解： 首页上一页下一页末页 37 1.2.3 反应标准摩尔焓变的计算 1 热力学标准态 ： 气体物质的标准态：标准压力p 下表现出理想气 体性质的纯气体状态 溶液中溶质B的标准态是:标准压力p 下，质量 摩尔浓度为b (1.0mol.kg-1),并表现出无限稀溶液 中溶质的状态; 本书采用近似c =1.0 mol.dm-3) 液体或固体的标准态是:标准压力p 下的纯液体 或纯固体。 首页上一页下一页末页 38 2 标准摩尔生成焓
8、指定单质通常指标准压力和该温度下最稳定的单质。如C： 石墨(s)；Hg：Hg(l) 等。但P为白磷(s)，即P（s，白）。 298.15K时的数据可以从手册上查到。 思考：以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓(反应物和生 成物都是标准态)? (1) (2) (3) 显然，标准态指定单质的标准生成焓为0。生成焓的负值越大， 表明该物质键能越大，对热越稳定。 标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物质B 时反应的焓变称为标准摩尔生成焓，记作 。 首页上一页下一页末页 39 3 标准摩尔焓变及测定 测定原理： 由于qp =H 所以可以通过在标准状态下测定恒温恒压条件 下的反应热得到反应标准摩尔焓变.
9、 标准状态下,反应进度 = 1mol的焓变称为反应的标 准摩尔焓变:记作 首页上一页下一页末页 40 4 反应的标准摩尔焓变的计算 稳定单质 可从手册数据计算298.15K时的标准摩尔反应焓. 反应物 标准状态 生成物 标准状态 r Hm f Hm (p)f Hm (r) 由盖斯定律，得： 首页上一页下一页末页 41 标准摩尔反应焓变计算示例 解：从手册查得298.15K时Fe2O3和Al2O3的标准摩 尔生成焓分别为824.2和1675.7kJmol-1。 例1.4 试计算铝热剂点火反应的 反应计量式为： 首页上一页下一页末页 42 注意事项 物质的聚集状态，查表时仔细 应用物质的标准摩尔生
10、成焓计算标准摩尔反应焓时 需要注意 公式中化学计量数与反应方程式相符 数值与化学计量数的选配有关； 温度的影响 首页上一页下一页末页 43 附例1.4 设反应物和生成物均处于标准状态，计算1mol乙炔 完全燃烧放出的能量。 解：从手册查得298.15K时，各物质的标准摩尔生成焓如下 。 226.73 0 -393.509 -285.83 首页上一页下一页末页 44 1.3 常见能源及其有效与清洁利用 能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。 思考：能源对于人类的重要性，为什么能源科学被 列为当今社会的三大支柱之一。 能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息 ）之一。 能源是我们赖以生存的重要
11、物质基础。 首页上一页下一页末页 45 1.3.1 世界能源的结构与能源危机 1.能源的分类 一次能源二次能源 常规 能源 燃料能源 煤炭、石油、天然 气、生物质能 煤气、焦碳、成品燃 油、液化气、酒精 非燃料能源 水能电力、蒸汽、热水 新能源 燃料能源核能人工沼气、氢能 非燃料能源 太阳能、地热、风 能、海洋能 激光 利用 状况 使用 性质 形成条件 表1.2 能源的分类 首页上一页下一页末页 46 2 世界能源的结构和消耗 195019601970198019902010 10 20 30 40 50 60 能源结构比例(%) 年代 图1.7 世界消耗的一次能源结构 煤炭 石油 天然气 水
12、电及其它 首页上一页下一页末页 47 3 能量消耗前六名的国家 美国中国俄罗斯日本德国印度 5 10 15 20 25 30 能源结构比例(占世界%) 国家 煤炭 石油 天然气 核能 水电 25.4 10.4 7.2 6.0 4.1 2.9 图1.8 世界六国消耗的一次能源比例及总比例（占世界） 趋势（比例）： 石油和天然气下降； 煤炭上升； 核电上升。 首页上一页下一页末页 48 4 能源危机 本质：能量总量不变，质量衰退了，有序能下降 。 思考：核能属于常规能源吗？ 首页上一页下一页末页 49 1.3.2 煤炭与洁煤技术 思考：我国能源结构的特点是什么？ 我国的能源结构中，煤炭占据重要地位
13、：占总能量的 70%以上。此外，我国也是世界上煤炭储量最大的国 家，因此，如何高效、科学、清洁地利用煤炭资源是 我国能源科学和研究中的重要课题。 我国煤炭的一个特点是煤炭中含硫量较高，煤炭中的 硫在燃烧时生成二氧化硫。大气中的二氧化硫是造成 酸雨的主要原因。 首页上一页下一页末页 50 1 煤炭的成分与热值 煤炭的主要成分： 碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。 煤炭的热值： 单位质量或体积的燃料完全燃烧放出的热量。 标准煤的热值为29.3MJkg-1。 无烟煤：低硫，较好； 烟煤 ：高硫，燃烧环境污染； 褐煤：储量大，但热值低。 煤炭的分类： 首页上一页下一页末页 51 2 洁净煤技术 洁净煤技术
14、于1986年由美国率先提出，现已成为解决环境 和能源问题的主导技术之一。 煤 甲醇 合成汽油 液体燃料 (新型液态燃料) 首页上一页下一页末页 52 1.3.3 石油和天然气 石油 石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环 烷烃、芳香烃和少量含氧、含硫的有机物。 思考：世界原油储量最大的地区在哪儿？我国的原油产地 在哪儿？ 世界原油储量最大的地区是中东。我国的原油产地在东 北、西北和山东（黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛 依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田）。 首页上一页下一页末页 53 1 石油燃料产品 石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到石油气、汽油、煤 油、柴油、润滑油和沥青等产品
15、。 思考：以上产品中最重要的是什么？ 汽油。 95%的汽油用于驱动汽车。衡量汽油质量的一个重要指标 是辛烷值。直馏汽油的辛烷值约为5572之间，在汽油中加 入少量四乙基铅可以将辛烷值提高到7988，为了防止铅在 汽缸中沉积，加入少量二溴乙烷，使生成挥发性的溴化铅 ，与尾气一同排入大气。 思考：汽车尾气污染物是什么？如何解决？ 主要污染物：NO、CO、HC和含铅化物等。 解决方法：采用无铅汽油，对汽车尾气进行催化净化。 首页上一页下一页末页 54 2 天然气 天然气是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷， 常与石油伴生。其热值约为55.6MJ kg-1。 天然气的优点： 可直接应用 易于管道输送 污
16、染少 思考：西气东送具有哪些重要意义？ 首页上一页下一页末页 55 3 沼气和生物质能 植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产 生的气体称为沼气。 沼气约含60%的甲烷，其余为二氧化碳和少量的 CO、H2、H2S等。 思考：可用哪些原料制备沼气？如果你来自农村，你家 使用过沼气吗？ 农村一般用人畜粪便、杂草等制取沼气。 生物质能的现代利用是将植物枝杆等在汽化炉中 加压汽化制成可燃气体。 都是。沼气也属于生物质能。柴火是生物质能的直接利 用。 思考：沼气和柴火是生物质能吗？ 首页上一页下一页末页 56 4 可燃冰未来的新能源 天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明 结晶，外形似冰
17、，用火柴一点就着，故称“可燃冰”。 CH4xH2O (s)。 形成条件：低温高压如0，76 MPa。 储量：数据相差较大。总量相当于161万亿吨煤， 可用100万年；是地球上煤、石油和天然气能量总 和的23倍。 分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海 、南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的 一半。 开采难，储量丰富。 首页上一页下一页末页 57 1.3.4 煤气和液化气 煤气 煤的合成气及炼焦气都是城市煤气。 来源于石油，主要成分为丙烷、丁烷等，炼油厂 的副产品。 液化气 煤气的组成 H2：50%；CO：15%；CH4：15%，热值约16MJ M-3 思考：与煤气相比，液化气有哪些优点
18、？ 无毒、低污染、热值高于煤气。 液化气作动力 绿色汽车 燃料电池（各国竞争发展） 。 首页上一页下一页末页 58 1.4 清洁能源与可持续发展 思考1：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是无限 的(不考虑太阳的寿命)？ 思考2：你认为伊拉克战争的深层次原因是什么？ 1：矿物能源（煤炭和石油）是有限的，来自宇宙的能 源（如太阳能）和核能是无限的。 2：开放性的结论 1992年，联合国环境于发展大会上提出了社会、经济、 人口、资源和环境协调发展的口号。能源作为最紧缺的 资源对人类社会的可持续发展起着关键的作用。 首页上一页下一页末页 59 1.4.1 能源开发与可持续发展 我国能源结构不合理，
19、优质能源比重太小。必须合理开发 及进一步开发新能源，才能实现可持续发展。 图1.9 治理前的热电厂 最有希望的清洁能源是氢能、太阳能以及核能和生物质能等。 可持续发展三原则：公平性、共同性和持续性。 首页上一页下一页末页 60 1.4.2 氢能 氢能是一种理想的二次清洁能源。 氢能的优点 热值高，其数值为142.9MJ kg-1。 燃烧反应速率快，功率高 原料是水，取之不尽 产物是水，不污染环境 思考：用氢作能源目前还存在一些问题，你认为是哪些 方面的问题？ 经济的制备方法，安全高效的储运方法和有效地利用 。 首页上一页下一页末页 61 1 氢气的制取 太阳能光解 电解 作为氯碱工业的副产品，
20、是目前工业氢气的制备方法。 2NaCl + 2H2O Cl2 + H2 + 2NaOH 电解 思考：用电解的方法大规模制取用作能源的氢气可行吗？ 从经济上考虑是不可行的。 利用太阳光的能量催化分解水得到氢气，最有前途的制 氢方法。是研究的热点。 首页上一页下一页末页 62 2 氢气的储运 氢气的密度小，且极难加压液化，因此氢气的储 存和运输是一个比较困难的问题。 合金贮氢法 原理：氢可以与某些合金在较高的压力下生成化合物 ，这些化合物在合适的条件下可以释放出氢气。如镧镍 合金： 开发研究贮氢合金材料是当今材料科学领域的 热门分支。 LaNi5 + 3H2 LaNi5H6 300kPa 加热 首
21、页上一页下一页末页 63 1.4.3 太阳能 太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然核聚变能 。太阳能的利用不会引起环境污染，不会破坏自然 生态。因此是人类最可靠、最有前景的能源形式。 思考：如何利用太阳能？ 太阳能的利用方法是将太阳能转换为更方便使用的能量形 式，主要有以下三种： 转换为热能 转换为电能 转换为化学能 图1.10 太阳能电池 首页上一页下一页末页 64 1 转换为热能 思考：太阳能热水器的工作原理？ 太阳能热水器是目前广泛利用太阳能最典型的一个例子 。其原理就是将太阳能转换为热能，是目前直接利用太 阳能的最主要方式。 将光能转换为热能的关键是吸收材料，一般选用 黑色、表面粗糙的
22、材料以减少反射，增加对光子 的有效吸收。 思考：太阳光能的缺点是什么？ 1、能量密度低，因此设备的表面积必须很大。 2、对天气的依赖性强。 首页上一页下一页末页 65 2 转换为电能 思考：你能举出光能转换为电能的例子吗？ 光电池是人们最感兴趣的将光能转换为电能的一 种设备。当光照射到一些半导体材料上时，半导 体材料中的电子就可以吸收光子而跃迁到导带并 产生电动势。 光电池在收音机、计算器、汽车、飞机、人造卫 星等航天器的仪表等方面已经有广泛的应用。 首页上一页下一页末页 66 3 转换为化学能 植物能够从空气中的二氧化碳和根部吸收的水，利用太阳 能进行光合作用合成碳水化合物而以化学能的形式储
23、存能 量。 思考：你能举出一些将光能转换为化学能的例子 吗？ 太阳能光解制氢是近几年的热门研究课题。这是 将太阳能转换为化学能的一种最有效的方法。 模拟光合作用也是各国科学家感兴趣的课题。 思考：如果你烧过柴火，你有没有意识到你正在间接地 利用太阳能？ 首页上一页下一页末页 67 选读材料 核能 核能的产生主要有两种方式，核裂变和核聚变。释 放的能量用质能方程计算： 在中子的轰击作用下，较重原子核分裂成轻原 子核的反应称为核裂变反应。 . 核燃料和核能的来源 1. 核裂变反应 首页上一页下一页末页 68 该反应损失质量m = 0.2118gmol-1，能量变化为： 此能量相当于634.5吨标准
24、煤完全燃烧所释放的能量。 核裂变是链式反应，不加控制则可制造成原子 弹；如加以控制，例如使用慢化剂水，重水 和石墨，则可建造成核电站。 首页上一页下一页末页 69 2. 核聚变反应 高温作用下，轻原子核合并成较重原子核的反应。 释放的能量同样用质能方程计算。 图1.11 氢弹爆炸 太阳能就是氢的核聚变能，经计算 1mol 聚变放出的能量为： 由于氢原子质量小，如折合成每g物 质反应的热量， 则氢聚变所释放是 能量是相同质量的铀裂变能量的3倍 多。 首页上一页下一页末页 70 . 核电的优势与发展趋势 发展核能是必由之路 由其优势决定：高密度、清洁、经济、安全的能源 。 核电的发展趋势 (1) 热堆的应用。应用广泛但燃料利用率很低；完善、智能化 。 (2) 快堆的应用。核燃料利用充分，但工艺复杂，成本较高。 加快研究和开发。 (3)可控热聚变堆。处于基础研究阶段，前景诱人。 首页上一页下一页末页 71 图1.12 秦山核电厂外景 秦山核电站二期工程施工现场 鸟 瞰 一 期 首页上一页下一页末页 72 本章小结 v了解若干热力学基本概念（如状态函数、热力学标 准态、反应进度、焓等）和定容热效应q的测定; v理解热化学定律及其应用；掌握反应的标准摩尔焓 变的近似计算； v了解能源的概况和我国能源的特征，及可持续发展 战略。
