能源技术概论讲义(5)

麦克斯韦关系式是热力学中的一套方程，可以从热力学势的定义推出。麦克斯韦关系式是热力学势的二阶导数之间的等式的陈述。它们可以直接从二元解析函数的高阶导数与求导次序无关的事实推出。 3、 化学势

化学势（chemical potential），多组分均相系统中，在等温等压并保持系统中其他物质的量都不变的条件下，系统的吉布斯自由能随某一组分的物质的量的变化率。

第二节 化学能

化学能的储存密度（即单位质量的能量）是除核能以外最大的。而且现在的科学技术已能使化学能与其他能态（除核能外）实现相互转换，所以，化学能在目前人类的生产和日常生活中占有特殊重要的地位。

一、化学能的本质

1、 化学键能

化学能的本质是原子核与电子之间的静电引力所体现的能。当两个独立的远在结合在一起形成稳定的双原子分子时，分子所具有的能量比两个独立的原子所具有的能量之和少，即成键时放出一部分能。反过来，要使该双原子之间的化学键断裂，使两个原子重新成为彼此独立的原子，则必须提供恰等于成键时所放出的能量，这部分能量等于化学键能。

化学能来自化学键能。

2、 化学反应的类型

A型：?H??0，?S??0B型：?H??0，?S??0C型：?H?0，?S?0D型：?H??0，?S??0??

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二、化学能的释放

1、 化学反应热效应

当体系发生化学变化而不做非体积功时，若使反应产物与反应物的温度相同，此时体系所放出或吸收的热量叫化学反应的热效应。在等压条件下，热效应Qp等于体系的焓变△H。

化学反映热与温度、压力及物相有关。因此，当提到化学反应热时，必须指明反映的温度和压力，以及反应物和产物的物相。

例如：

①碳和氧在25.C及105Pa下燃烧生成CO2的反应

C(g)?O2?CO2,?H??410.7kJ

△H为负值，表示这是一个放热反应。 ②水在105Pa和100.C的条件下蒸发

H2O(l,105Pa,100。C)?H2O(g,105Pa,100。C),?H?40.6kJ

△H为正值，这是一个吸热反映。

2、 盖斯定律

1840年俄国化学家盖斯（Hess，也译作赫斯）在总结大量实验事实（热化学实验数据）的基础上提出在“定压或定容条件下的任意化学反应，在不做其它功时，不论是一步完成的还是几步完成的，其热效应总是相同的（反应热的总值相等）。”这叫作盖斯定律。

3、 生成热和燃烧热

生成热（heat of formation）：在一定温度和压力下，由最稳定的单质生成1摩尔纯物质的热效应。现在多称生成焓，因为此生成反应的热效应等于该过程体系焓的增量。标准状态下（各单质与生成的纯物质皆处于标准状态）的生成焓称为标准生成热（standard heat of formation），现行手册上称为摩尔标准生成焓，简称标准生成焓，用符号△fHθm表示，单位是千焦/摩（KJ/mol）。如298.15开(即25℃)时金刚石与乙炔(气)的△fHθm分别为+1.896与-226.73千焦/摩。负值表示放热，即体系的焓减少。

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燃烧热(ΔcH0)是指物质与氧气进行燃烧反应时放出的热量。它一般用单位物质的量、单位质量或单位体积的燃料燃烧时放出的能量计量。燃烧反应通常是烃类在氧气中燃烧生成二氧化碳、水并放热的反应。燃烧热可以用弹式量热计测量，也可以直接查表获得反应物、产物的生成焓(ΔfH0)再相减求得。

4、 化学反应热与温度

在定压条件下，同一化学反应分别在两个不同温度T1和T2时的热效应一般不同。如果已知某化学反应在T1时的反应热△H1，可用基尔霍夫方程式求得反应在相同压力和温度为T2时的反应热△H2

式中?Cp=?C（生成物）-?C（反应物）ppT1?H2??H1???CpdTT25、 电化学反应

属于电化学范畴的化学反应。 电化学是有关电与化学变化关系的一个化学分支。电化学是边缘学科，是多领域的跨学科。对“电化学”，古老的定义认为它是“研究物质的化学性质或化学反应与电的关系的科学”。以后Bockris下了定义，认为是“研究带电界面上所发生现象的科学[1]”。当代电化学领域已经比Bockris定义的范围又拓宽了许多。实际上还有学者认为电化学领域更宽。如日本的学者小泽昭弥则认为，电化学涵盖了电子（以电子的得失为主）、离子和量子的流动现象的所有领域，它横跨了理学和工学两大方面，从而可将光化学、磁学、电子学等收入版图之中。若从宏观和微观两个反应与电的关系的科学”。

三、化学能转化的限度

1、 化学势对浓度的依赖关系 2、 标准吉布斯自由能变化 3、 标准生成吉布斯自由能

第三节 热能向化学能的转化

将热能变换成化学能，主要目的在于能量的储存和输送。

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例如，将高温气冷核反应堆（HTGR）所输出的1000.C左右的热能通过循环化学的方式分解水制氢，于是，热能变换成氢的化学能，通过管道或金属氢化物的形式输往各地。由于氢是未来代替石油、煤和天然气的理想“清洁”的二次能源，所以，通过上述变换便能达到能的合理利用的目的。

一、化学热管

人能与化学能之间的相互变换的另一种形式是所谓的化学热管（Chemical heat pipe）,即利用可逆反应，经过吸热反应将热源的热能变成生成物的化学能，通过管道进行远距离输送。到达目的地后，再通过可逆的放热反应将热能取出来加以利用。取出热能后的物质再用管道反输回去继续使用。

例如：

（1）高温气冷堆的热输送 （2）太阳能的储存和利用

二、化学热泵

上述化学热管，由于过程熵的增加的降低，使得能的品位有所降低。能的品位降低也是能的损耗的一种表现。

利用化学热泵（Chemical heat pump）可使传递的一部分热能的温度得以提高，因而使能量得到更为合理的利用。

例如：

（1）如果将低温热源用于分离操作，以分离代替吸热的你反应，正反应为放热反应，便有可能得到较高温度的热。

（2）用低温热源的热使硝酸减压整流分离，分离后的硝酸加水时，由于水合热的作用可以得到比热源温度高的温度。这种方法可将温度由28.C升至46.C。

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第四节 光能向化学能的转化

一、 概述 …… 此处隐藏：849字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……