第1章 熱化學(xué)及能源

1緒論化學(xué)是一門既古老又年輕的科學(xué)?；瘜W(xué)是研究和創(chuàng)造物質(zhì)的科學(xué)，同工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防現(xiàn)代化，同人民生活和人類社會(huì)等都有非常密切的關(guān)系。化學(xué)是一門中心性的、實(shí)用的和創(chuàng)造性的科學(xué)，主要是研究物質(zhì)的分子轉(zhuǎn)變規(guī)律的科學(xué)?；瘜W(xué)與物理一起屬于自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科。研究現(xiàn)狀(2000年)化合物>2000萬種時(shí)間分辨率：1fs空間分辨率：0.1nm分析所需最小量：10-13g。2緒論在19世紀(jì)和20世紀(jì)上半葉，發(fā)現(xiàn)新元素及其化合物是化學(xué)研究的前沿之一，元素周期律的發(fā)現(xiàn)是化學(xué)史上的一個(gè)重要的里程碑。從20世紀(jì)下半葉起，化學(xué)的主要任務(wù)不再是發(fā)現(xiàn)新元素，而是合成新分子。在過去的55年中，新分子和化合物的數(shù)目從110萬種增加到2000萬種以上(下表)3緒論表0.1新分子和新材料的飛躍發(fā)展年份已知化合物的數(shù)目190055萬種1945110萬種，大約45年加倍1970236.7萬種，大約25年加倍1975414.8萬種1980593萬種，大約10年加倍1985785萬種19901057.6萬種，大約10年加倍1999超過2000萬種41.

化學(xué)的定義與分支學(xué)科化學(xué)是在原子和分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)及其變化規(guī)律和變化過程中能量關(guān)系的科學(xué)無機(jī)化學(xué)：無機(jī)物有機(jī)化學(xué)：碳?xì)浠衔锛把苌锓治龌瘜W(xué)：測量和表征物理化學(xué)：所有物質(zhì)系統(tǒng)高分子化學(xué)：高分子化合物若干新分支：環(huán)境化學(xué)、核化學(xué)等等定義：化學(xué)的分支學(xué)科52.

化學(xué)的地位和作用

化學(xué)仍是解決食物短缺問題的主要學(xué)科之一

化學(xué)繼續(xù)推動(dòng)材料科學(xué)發(fā)展

化學(xué)是提高人類生存質(zhì)量和生存安全的有效保障

化學(xué)在能源和資源的合理開發(fā)和高效安全利用中起關(guān)鍵作用

化學(xué)是生命科學(xué)的重要支柱62.

化學(xué)的地位和作用化學(xué)與其他學(xué)科的滲透與交叉學(xué)科若按照它的研究對(duì)象由簡單到復(fù)雜的程度可分為上、中、下游。數(shù)學(xué)、物理是上游，生物、醫(yī)藥和社會(huì)科學(xué)等是下游，化學(xué)是中游。（徐光憲：21世紀(jì)化學(xué)的前瞻）所以說：化學(xué)是承上啟下的中心學(xué)科72.

化學(xué)的地位和作用化學(xué)是承上啟下的中心學(xué)科上游學(xué)科研究的對(duì)象比較簡單，但研究的深度很深。下游學(xué)科的研究對(duì)象比較復(fù)雜，除了用本門學(xué)科的方法外，如果借用上游學(xué)科的理論和方法，往往可收到事半功倍之效。所以“以上游科學(xué)之花，可以接下游科學(xué)之木”。具有上游科學(xué)的深厚基礎(chǔ)的科學(xué)家，如果把上游科學(xué)之花，移植到下游科學(xué)，往往能取得突破性的成就。8圖0.1化學(xué)是自然界中一門承上啟下的中心學(xué)科計(jì)算與信息科學(xué)數(shù)學(xué)天文學(xué)化學(xué)地學(xué)工程科學(xué)生命科學(xué)材料科學(xué)93.

學(xué)習(xí)的目的、內(nèi)容和要求學(xué)習(xí)目的了解當(dāng)代化學(xué)學(xué)科的概貌用化學(xué)的觀點(diǎn)分析、認(rèn)識(shí)生活和工作中的化學(xué)問題學(xué)習(xí)內(nèi)容

理論化學(xué)：兩條“主線”應(yīng)用化學(xué)：化合物知識(shí)；化學(xué)在相關(guān)學(xué)科中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)化學(xué)學(xué)習(xí)要求

辨證的思維發(fā)展的眼光實(shí)踐的方法104.化學(xué)與人類生活

在現(xiàn)代生活和科技、生產(chǎn)中，化學(xué)起著十分重要的作用，幾乎每一個(gè)部門都離不開化學(xué)。例如航空航天及原子能事業(yè)中，特殊性能的橡膠、高能燃料、核燃料和各種耐高溫、耐腐蝕材料、合金材料的制取和合成；半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料、激光和光纖材料的研制與生產(chǎn)以及超純試劑的提純和合成，11尤其是人類當(dāng)前十分關(guān)心的能源與資源的開發(fā)與利用；糧食增產(chǎn)需要的高效、低污染的新農(nóng)藥的研制。廣效復(fù)合肥的生產(chǎn)、農(nóng)副產(chǎn)品的綜合利用、保鮮、防腐和合理貯運(yùn)都離不開化學(xué)。環(huán)境污染的防治與保護(hù)、三廢的利用、生命過程奧妙的探索，乃至人們?nèi)粘Ｉ钜率匙⌒卸茧x不開化學(xué)，如香料、調(diào)味品、防腐劑、美容化妝品、洗滌劑牙膏藥品等都是用化學(xué)方法分離和制得的。12建筑裝飾用的水泥、石灰、油漆、涂料、玻璃、塑料等都是化工廠品。交通用的汽油、柴油、防凍劑、潤滑油等都是石油化工廠品。綜上所述，化學(xué)與國民經(jīng)濟(jì)，與衣、食、住、行、能源、信息、材料、國防、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥衛(wèi)生、資源利用等都有著密切的關(guān)系?；瘜W(xué)是一門社會(huì)迫切需要的實(shí)用科學(xué)化學(xué)是一門社會(huì)需要的中心科學(xué)13衣食住行行冶金能源化學(xué)材料醫(yī)藥衛(wèi)生農(nóng)業(yè)建材汽車國防資源利用環(huán)境保護(hù)14三聚氰胺三聚氰胺：C3H6N6，俗稱密胺、蛋白精。“1,3,5-三嗪-2,4,6-三氨基”，是一種三嗪類含氮雜環(huán)有機(jī)化合物，被用作化工原料。它是白色單斜晶體，幾乎無味，微溶于水（3.1g/L常溫），可溶于甲醇、甲醛、乙酸、熱乙二醇、甘油、吡啶等，不溶於丙酮、醚類、對(duì)身體有害，不可用於食品加工或食品添加物。15三聚氰胺是氨基氰的三聚體，由它制成的樹脂加熱分解時(shí)會(huì)釋放出大量氮?dú)猓虼丝捎米髯枞紕?。它也是殺蟲劑環(huán)丙氨嗪在動(dòng)物[2]和植物[3][4]體內(nèi)的代謝產(chǎn)物。

由于三聚氰胺（含氮量66%）與蛋白質(zhì)（平均含氮量16%）相比含有更高比例的氮原子，所以被一些造假者利用，添加在食品中以造成食品蛋白質(zhì)含量較高的假象，從而造成諸如2007年美國寵物食品污染事件和2008年中國毒奶粉事件等嚴(yán)重的食物安全事故。16苯甲酸鈉苯甲酸鈉又稱:安息香酸鈉。C6H5COONa

是苯甲酸的鈉鹽。苯甲酸鈉是很常用的食品防腐劑，有防止變質(zhì)發(fā)酸、延長保質(zhì)期的效果，在世界各國均被廣泛使用。然而近年來對(duì)其毒性的顧慮使得它的應(yīng)用受限，有些國家如日本已經(jīng)停止生產(chǎn)苯甲酸鈉，并對(duì)它的使用作出限制。根據(jù)GB2760—1996國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在肉制食中不得使用苯甲酸鈉。目前，我國食品防腐劑主要采用苯甲酸鈉及山梨酸鉀，由于苯甲酸鈉價(jià)格便宜，被食品企業(yè)廣泛使用。17面粉增白劑面粉增白劑，有效成分過氧化苯甲酰（BPO），學(xué)名叫稀釋過氧化苯甲酰，它是我國八十年代末從國外引進(jìn)并開始在面粉中普遍使用的食品添加劑，面粉增白劑主要是用來漂白面粉，同時(shí)加快面粉的后熟。國際標(biāo)準(zhǔn)國標(biāo)《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB2760－1996）明確將過氧化苯甲酰歸為面粉處理劑類，規(guī)定其使用范圍是小麥粉，最大使用量是0.06g/kg。我國標(biāo)準(zhǔn)我國“食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定過氧化苯甲酰的最大用量為60PPM，即0.06克/公斤面粉。18瘦肉精瘦肉精是一類動(dòng)物用藥，有數(shù)種藥物被稱為瘦肉精，例如萊克多巴胺（Ractopamine）及克倫特羅（Clenbuterol）等。將瘦肉精添加于飼料中，可以增加動(dòng)物的瘦肉量、減少飼料使用、使肉品提早上市、降低成本。19“瘦肉精”能使豬提高生長速度，增加瘦肉率，豬毛色紅潤光亮，收腹，賣相好；屠宰后，肉色鮮紅，脂肪層極薄，往往是皮貼著瘦肉，瘦肉豐滿。肥豬飼喂瘦肉精后，逐漸發(fā)生四肢震顫無力，心肌肥大心力衰竭等毒副作用。毒性:急性中毒有心悸，面頸、四肢肌肉顫動(dòng)，有手抖甚至不能站立，頭暈，乏力.20識(shí)別方法（1）看該豬肉是否具有脂肪(豬油)，如該豬肉在皮下就是瘦肉或僅有少量脂肪，則該豬肉就存在含有“瘦肉精”的可能。（2）喂過“瘦肉精”的瘦肉外觀特別鮮紅，后臀較大，纖維比較疏松，切成二三指寬的豬肉比較軟，不能立于案，瘦肉與脂肪間有黃色液體流出，脂肪特別??；而一般健康的瘦豬肉是淡紅色，肉質(zhì)彈性好，瘦肉與脂肪間沒有任何液體流出。（3）購買時(shí)一定看清該豬肉是否有蓋有檢疫印章和檢疫合格證明。21福爾馬林福爾馬林是“甲醛HCHO))的水溶液，外觀無色透明，具有腐蝕性，且因內(nèi)含的甲醛揮發(fā)性很強(qiáng)，開瓶后一下子就會(huì)散發(fā)出強(qiáng)烈的刺鼻味道。具有防腐、消毒和漂白的功能。不同領(lǐng)域有不同作用。對(duì)人體可能的傷害：若人體皮膚直接接觸福爾馬林時(shí)，可能會(huì)引發(fā)過敏反應(yīng)、皮膚炎或是濕疹;22

甲醛揮發(fā)性很強(qiáng)，對(duì)眼睛有強(qiáng)刺激性，具有傷害力;

不慎吸入時(shí)，會(huì)刺激口、鼻與呼吸道黏膜組織，輕則疼痛咳嗽，重則呼吸道發(fā)炎，甚至肺水腫;

不慎誤飲，量多則有致命之可能。長期接觸福爾馬林可能會(huì)導(dǎo)致癌癥

.23蘇丹紅“蘇丹紅”是一種化學(xué)染色劑，并非食品添加劑。它的化學(xué)成份中含有一種叫萘的化合物，該物質(zhì)具有偶氮結(jié)構(gòu)，由于這種化學(xué)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)決定了它具有致癌性，對(duì)人體的肝腎器官具有明顯的毒性作用。蘇丹紅屬于化工染色劑，主要是用于石油、機(jī)油和其他的一些工業(yè)溶劑中，目的是使其增色，也用于鞋、地板等的增光。

蘇丹紅鴨蛋24蘇丹紅化學(xué)式：蘇丹紅1號(hào)：1-苯基偶氮-2-萘酚：C16H12N2O蘇丹紅2號(hào)：1-[(2,4-二甲基苯)偶氮]-2-萘酚蘇丹紅3號(hào)：1-[4-(苯基偶氮)苯基]偶氮-2-萘酚蘇丹紅4號(hào)：1-2-甲基-4-[(2-甲基苯)偶氮]苯基偶氮-2-萘酚“蘇丹紅”到底有何危害？潛在致癌物!長期食用含“蘇丹紅”的食品，可能會(huì)使肝部DNA結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致肝部病癥。25熱化學(xué)與能源第1章26本章學(xué)習(xí)要求：了解定容熱效應(yīng)(qv)的測量原理。熟悉qv的實(shí)驗(yàn)計(jì)算方法。了解狀態(tài)函數(shù)、反應(yīng)進(jìn)度、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的概念和熱化學(xué)定律。理解等壓熱效應(yīng)與反應(yīng)焓變的關(guān)系、等容熱效應(yīng)與熱力學(xué)能變的關(guān)系。掌握標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變的近似計(jì)算。了解能源的概況，燃料的熱值和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。27目錄1.1反應(yīng)熱的測量1.2反應(yīng)熱的理論計(jì)算1.3常見能源及其有效與清潔利用1.4清潔能源與可持續(xù)發(fā)展選讀材料核能Ⅰ.核燃料和核能的來源Ⅱ.核電的優(yōu)勢與發(fā)展趨勢本章小結(jié)281.1

反應(yīng)熱的測量系統(tǒng)：作為研究對(duì)象的那一部分物質(zhì)和空間。環(huán)境：系統(tǒng)之外，與系統(tǒng)密切聯(lián)系的其它物質(zhì)和空間。開放系統(tǒng)

有物質(zhì)和能量交換封閉系統(tǒng)

只有能量交換1.1.1幾個(gè)基本概念1.系統(tǒng)與環(huán)境圖1.1系統(tǒng)的分類[觀看動(dòng)畫]隔離系統(tǒng)

無物質(zhì)和能量交換292.相系統(tǒng)中任何物理和化學(xué)性質(zhì)完全相同的、均勻部分稱為相。根據(jù)相的概念，系統(tǒng)可分為：單相（均勻）系統(tǒng)多相（不均勻）系統(tǒng)相與相之間有明確的界面。思考：1)101.325kPa，273.15K(0°C)下，H2O(l),H2O(g)和H2O(s)同時(shí)共存時(shí)系統(tǒng)中的相數(shù)為多少。2)CaCO3(s)分解為CaO(s)和CO2(g)并達(dá)到平衡的系統(tǒng)中的相數(shù)。答：1）在此條件下，存在3相（氣、液、固各一相；2）3相（氣體1相，固體2相）303.

狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)用于表示系統(tǒng)性質(zhì)的物理量X稱狀態(tài)函數(shù)，如氣體的壓力p、體積V、溫度T等。狀態(tài)就是系統(tǒng)一切性質(zhì)的總和。有平衡態(tài)和非平衡態(tài)之分。如系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)都處于定值，則系統(tǒng)為平衡態(tài)。狀態(tài)變化時(shí)，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)也必然發(fā)生部分或全部變化。31狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)

狀態(tài)函數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，狀態(tài)函數(shù)的變化量只與系統(tǒng)的始、末態(tài)有關(guān)，而與變化的實(shí)際途徑無關(guān)。圖1.2狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)以下例子說明：當(dāng)系統(tǒng)由始態(tài)變到終態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)壓力p和體積V的變化量與途徑無關(guān)。外壓從3po變?yōu)閜°V

T3po32廣度性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)狀態(tài)函數(shù)可分為兩類：廣度性質(zhì)：其量值具有加和性，如體積、質(zhì)量等。強(qiáng)度性質(zhì)：其量值不具有加和性，如溫度、壓力等。思考：力和面積是什么性質(zhì)的物理量？它們的商即壓強(qiáng)(熱力學(xué)中稱為壓力)是強(qiáng)度性質(zhì)的物理量。由此可以得出什么結(jié)論？推論：摩爾體積(體積除以物質(zhì)的量)是什么性質(zhì)的物理量？答：力和面積都是廣度性質(zhì)的物理量。結(jié)論是兩個(gè)廣度性質(zhì)的物理量的商是一個(gè)強(qiáng)度性質(zhì)的物理量。334.

過程與途徑

系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生任何的變化稱為過程；可逆過程體系經(jīng)過某一過程，由狀態(tài)Ⅰ變到狀態(tài)Ⅱ之后，如果通過逆過程能使體系和環(huán)境都完全復(fù)原，這樣的過程稱為可逆過程。它是在一系列無限接近平衡條件下進(jìn)行的過程。

實(shí)現(xiàn)一個(gè)過程的具體步驟稱途徑。思考：過程與途徑的區(qū)別。設(shè)想如果你要把20°C的水燒開，要完成“水燒開”這個(gè)過程，你可以有多種具體的“途徑”：如可以在水壺中常壓燒；也可以在高壓鍋中加壓燒開再降至常壓。345.

化學(xué)計(jì)量數(shù)一般用化學(xué)反應(yīng)計(jì)量方程表示化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量守恒關(guān)系，通式為：B稱為B的化學(xué)計(jì)量數(shù)。符號(hào)規(guī)定：反應(yīng)物：B為負(fù)；產(chǎn)物：B為正。附例1.1

應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)統(tǒng)通式形式表示下列合成氨的化學(xué)反應(yīng)計(jì)量方程式：

N2+3H2==2NH3解：用化學(xué)反應(yīng)通式表示為：

0=

-N2-3H2+2NH3356.

反應(yīng)進(jìn)度反應(yīng)進(jìn)度ξ

的定義：反應(yīng)進(jìn)度的單位是摩爾（mol），它與化學(xué)計(jì)量數(shù)的選配有關(guān)。nB

為物質(zhì)B的物質(zhì)的量，dnB表示微小的變化量。或定義思考：反應(yīng)進(jìn)度與化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫有關(guān)嗎？答：有關(guān)。如對(duì)于反應(yīng)：0

=–N2–3H2+2NH3

，當(dāng)有1molNH3生成時(shí)，反應(yīng)進(jìn)度為0.5mol。若將反應(yīng)寫成則反應(yīng)進(jìn)度為1mol。361.1.2

反應(yīng)熱的測量反應(yīng)熱指化學(xué)反應(yīng)過程中系統(tǒng)放出或吸收的熱量。熱化學(xué)規(guī)定：系統(tǒng)放熱為負(fù)，系統(tǒng)吸熱為正。摩爾反應(yīng)熱指當(dāng)反應(yīng)進(jìn)度為1mol時(shí)系統(tǒng)放出或吸收的熱量。（等容）反應(yīng)熱可在彈式量熱計(jì)中精確地測量。測量反應(yīng)熱是熱化學(xué)的重要研究內(nèi)容。觀看動(dòng)畫圖1.3彈式量熱計(jì)371.

反應(yīng)熱的實(shí)驗(yàn)測量方法設(shè)有nmol物質(zhì)完全反應(yīng)，所放出的熱量使彈式量熱計(jì)與恒溫水浴的溫度從T1上升到T2，彈式量熱計(jì)與恒溫水浴的熱容為Cs(J·K-1)，比熱容為cs(J·K-1kg-1

)，則：由于完全反應(yīng)，ξ=n

因此摩爾反應(yīng)熱：思考：反應(yīng)熱有定容反應(yīng)熱和定壓反應(yīng)熱之分。前者的反應(yīng)條件是恒容，后者的反應(yīng)條件是恒壓。用彈式量熱計(jì)測量的反應(yīng)熱是定容反應(yīng)熱還是定壓反應(yīng)熱？答：定容反應(yīng)熱38示例例1.1聯(lián)氨燃燒反應(yīng)：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)

+2H2O(l)已知：解：燃燒0.5g聯(lián)氨放熱為392.熱化學(xué)方程式表示化學(xué)反應(yīng)與熱效應(yīng)關(guān)系的方程式稱為熱化學(xué)方程式。其標(biāo)準(zhǔn)寫法是：先寫出反應(yīng)方程，再寫出相應(yīng)反應(yīng)熱，兩者之間用分號(hào)或逗號(hào)隔開。例如：

標(biāo)明反應(yīng)溫度、壓力及反應(yīng)物、生成物的量和狀態(tài)；書寫熱化學(xué)方程式時(shí)應(yīng)注意：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)

+2H2O(l)；2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)；若不注明T,p,皆指在T=298.15K，p=100kPa下。40

反應(yīng)熱與反應(yīng)式的化學(xué)計(jì)量數(shù)有關(guān)；

一般標(biāo)注的是等壓熱效應(yīng)qp。思考：qp與qv相同嗎？。不相同411.2反應(yīng)熱的理論計(jì)算并不是所有的反應(yīng)熱都可以實(shí)驗(yàn)測定。例如反應(yīng)：2C(s)+O2(g)=2CO(g)思考：為什么上述反應(yīng)的反應(yīng)熱無法實(shí)驗(yàn)測定？實(shí)驗(yàn)過程中無法控制生成產(chǎn)物完全是CO。因此，只能用理論方法來計(jì)算反應(yīng)熱。421.2.1

熱力學(xué)第一定律封閉系統(tǒng)，不做非體積功時(shí)，若系統(tǒng)從環(huán)境吸收熱q，從環(huán)境得功w，則系統(tǒng)熱力學(xué)能的增加ΔU(U2–U1)為：ΔU

=q+w熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)是能量守恒定律在熱力學(xué)中的的應(yīng)用。其中，熱力學(xué)能從前稱為內(nèi)能。431.

熱力學(xué)能系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)能量的總和。內(nèi)部運(yùn)動(dòng)包括分子的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)以及電子運(yùn)動(dòng)和核運(yùn)動(dòng)。思考：同樣的物質(zhì)，在相同的溫度和壓力下，前者放在10000m高空，以400m/s飛行的飛機(jī)上，后者靜止在地面上。兩者的內(nèi)能相同嗎？答：相同。內(nèi)能的特征：狀態(tài)函數(shù)無絕對(duì)數(shù)值廣度性質(zhì)由于分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的相互作用十分復(fù)雜，因此目前尚無法測定內(nèi)能的絕對(duì)數(shù)值。442.

熱在物理或化學(xué)變化的過程中，系統(tǒng)與環(huán)境存在溫度差而交換的能量稱為熱。熱的符號(hào)規(guī)定：系統(tǒng)吸熱為正，系統(tǒng)放熱為負(fù)。熱量q不是狀態(tài)函數(shù)453.

功與體積功在物理或化學(xué)變化的過程中，系統(tǒng)與環(huán)境除熱以外的方式交換的能量都稱為功。功的符號(hào)規(guī)定：（注意功符號(hào)的規(guī)定尚不統(tǒng)一）系統(tǒng)得功為正，系統(tǒng)作功為負(fù)。由于系統(tǒng)體積發(fā)生變化而與環(huán)境所交換的功稱為體積功w體。所有其它的功統(tǒng)稱為非體積功w′。功w也不是狀態(tài)函數(shù)思考：1mol理想氣體，密閉在1)氣球中，2)鋼瓶中；將理想氣體的溫度提高20oC時(shí)，是否做了體積功？答：1)做體積功，2)未做體積功。w=w體+

w′46思考：水能變油嗎？熱—無序能；功—有序能；能的品位不同。一封閉系統(tǒng)，熱力學(xué)能U1，從環(huán)境吸收熱q，得功w，變到狀態(tài)2,熱力學(xué)能U2，則有：U1U2q>0w>0ΔU

=q+w474.

體積功w體的計(jì)算等外壓過程中，體積功w體=–p

外(V2–V1)=–p外ΔV

pp外

=F/Al

p外

=F/A，l=ΔV/A2，因此，體積功w體=F·

l

=–(p外·

A)·(ΔV/A)

=–

p外

ΔV圖1.4體積功示意圖485.

理想氣體的體積功理想氣體的定義：氣體分子不占有體積，氣體分子之間的作用力為0的氣態(tài)系統(tǒng)被稱為理想氣體。理想氣體的狀態(tài)方程：附例1.2

1mol理想氣體從始態(tài)100kPa,22.4dm3經(jīng)等溫恒外壓p2=50kPa膨脹到平衡，求系統(tǒng)所做的功。解：終態(tài)平衡時(shí)的體積為：負(fù)值表示系統(tǒng)對(duì)外做功。496.

理想氣體可逆過程體積功*封閉系統(tǒng)的等溫過程中，理想氣體壓力p和體積V之間的關(guān)系稱為理想氣體的等溫線：pV當(dāng)系統(tǒng)從始態(tài)變到終態(tài)時(shí)，可以有多種途徑：

經(jīng)恒外壓p2：

經(jīng)恒外壓p’膨脹到平衡，再經(jīng)恒外壓p2：始態(tài)(p1,V1)終態(tài)(p2,V2)p2p1V1V2W1W2p’V’中間態(tài)(p’,V’)顯然，|W2|>|W1|思考：經(jīng)什么途徑系統(tǒng)可以做最大功？答：外壓無限接近系統(tǒng)的壓力時(shí)。圖1.5理想氣體的體積功50可逆過程體積功*揀去沙子設(shè)砝碼對(duì)系統(tǒng)施加了p2的壓力，砝碼和砂子施加了p1的壓力，當(dāng)將砂子一粒一粒地揀去，系統(tǒng)沿下圖的折線從始態(tài)變到終態(tài)。piΔViPi+1揀去一粒砂子，系統(tǒng)的壓力從pi+1變?yōu)閜i，同時(shí)系統(tǒng)的體積變化為ΔVi，這一微小過程中系統(tǒng)做功：

–piΔVi，整個(gè)過程中做功：當(dāng)砂子足夠小時(shí)，pi可以用系統(tǒng)的壓力來代替。pi=nRT/Vi,并可以用積分代替加和：(p1,V1)(p2,V2)圖1.6可逆過程的體積功511.2.2

化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱與焓通常把反應(yīng)物和生成物具有相同溫度時(shí)，系統(tǒng)吸收或放出的熱量叫做反應(yīng)熱。根據(jù)反應(yīng)條件的不同，反應(yīng)熱又可分為：

定容反應(yīng)熱恒容過程，體積功w體

=0，不做非體積功w′=0時(shí)，所以，w=w體+

w′=0

，qV=ΔU

定壓反應(yīng)熱恒壓過程，不做非體積功時(shí)，w體=–

p(V2–V1)，所以

qp=ΔU+p(V2–V1)思考：這兩個(gè)公式有什么用處？答：可以利用這兩個(gè)公式計(jì)算反應(yīng)熱。521.

焓∵qP

=△U+p(V2–

V1)=(U2-U1)+p(V2–

V1)=(U2+p

2V2)–(U1+p1V1)公式qp

=ΔH的意義：1）等壓熱效應(yīng)即為焓的增量，故qP也只決定于始終態(tài)，而與途徑無關(guān)。2）可以通過ΔH的計(jì)算求出的qP值。令

H

=

U+p

V則qp

=H2–

H1=ΔHH稱為焓，是一個(gè)重要的熱力學(xué)函數(shù)。思考：焓是狀態(tài)函數(shù)嗎？能否知道它的絕對(duì)數(shù)值？答：是狀態(tài)函數(shù)，但不能知道它的絕對(duì)數(shù)值。532.

定容反應(yīng)熱與定壓反應(yīng)熱的關(guān)系已知 定容反應(yīng)熱：qV=ΔU；

定壓反應(yīng)熱：qp=ΔUp+p(V2–V1)

等溫過程，ΔUpΔUV，則：qp–

qV

=n2(g)RT–n1(g)RT=Δn(g)RT對(duì)于理想氣體反應(yīng)，有：對(duì)于有凝聚相參與的理想氣體反應(yīng)，由于凝聚相相對(duì)氣相來說，體積可以忽略，因此在上式中，只需考慮氣體的物質(zhì)的量。ΔH–ΔU=qp–

qV=p(V2–V1)思考：若反應(yīng)C(石墨)+O2(g)→CO2(g)

的qp,m為–393.5kJ·mol–1，則該反應(yīng)的qV,m

為多少？答：該反應(yīng)的Δn(g)=0，qV

=qp小結(jié) 對(duì)于沒有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應(yīng)或Δn(g)0的反應(yīng)，qVqp

對(duì)于有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應(yīng)，且Δn(g)0的反應(yīng)，qVqp543.

蓋斯定律化學(xué)反應(yīng)的恒壓或恒容反應(yīng)熱只與物質(zhì)的始態(tài)或終態(tài)有關(guān)而與變化的途徑無關(guān)。始態(tài)

C(石墨)+O2(g)終態(tài)

CO2(g)中間態(tài)

CO(g)+?O2(g)即熱化學(xué)方程式可像代數(shù)式那樣進(jìn)行加減運(yùn)算。55蓋斯定律示例由蓋斯定律知：若化學(xué)反應(yīng)可以加和，則其反應(yīng)熱也可以加和。附例1.3

已知反應(yīng)和的反應(yīng)焓，計(jì)算的反應(yīng)焓，解：561.2.3

反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的計(jì)算1.熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：氣體物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：標(biāo)準(zhǔn)壓力p下表現(xiàn)出理想氣體性質(zhì)的純氣體狀態(tài)溶液中溶質(zhì)B的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)是:標(biāo)準(zhǔn)壓力p

下，質(zhì)量摩爾濃度為m

(1.0mol.kg-1),并表現(xiàn)出無限稀溶液中溶質(zhì)的狀態(tài);本書采用近似c=1.0mol.dm-3)液體或固體的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)是:標(biāo)準(zhǔn)壓力p

下的純液體或純固體。572.標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓指定單質(zhì)通常指標(biāo)準(zhǔn)壓力和該溫度下最穩(wěn)定的單質(zhì)。如C：石墨(s)；Hg：Hg(l)等。但P為白磷(s)，即P（s，白）。298.15K時(shí)的數(shù)據(jù)可以從手冊及教材的附錄3中查到。顯然，標(biāo)準(zhǔn)態(tài)指定單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為0。生成焓的負(fù)值越大，表明該物質(zhì)鍵能越大，對(duì)熱越穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)由指定單質(zhì)生成單位物質(zhì)的量的純物質(zhì)B時(shí)反應(yīng)的焓變稱為標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓，記作。思考：以下哪些反應(yīng)的恒壓反應(yīng)熱不是生成焓(反應(yīng)物和生成物都是標(biāo)準(zhǔn)態(tài))?(1)(2)(3)答：（2）不是583.

標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變及測定測定原理：由于qp=ΔH所以可以通過在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測定恒溫恒壓條件下的反應(yīng)熱得到反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變.標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,反應(yīng)進(jìn)度ξ=1mol的焓變稱為反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變:記作594.

反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的計(jì)算穩(wěn)定單質(zhì)可從手冊數(shù)據(jù)計(jì)算298.15K時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓.反應(yīng)物

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)生成物

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)rHmfHm(p)fHm(r)由蓋斯定律，得：60標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變計(jì)算示例解：從手冊查得298.15K時(shí)Fe2O3和Al2O3的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓分別為–824.2和–1675.7kJ·mol-1。例1.4

試計(jì)算鋁熱劑點(diǎn)火反應(yīng)的反應(yīng)計(jì)量式為：61注意事項(xiàng)

物質(zhì)的聚集狀態(tài)，查表時(shí)仔細(xì)應(yīng)用物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓時(shí)需要注意

公式中化學(xué)計(jì)量數(shù)與反應(yīng)方程式相符

數(shù)值與化學(xué)計(jì)量數(shù)的選配有關(guān)；

溫度的影響思考：正反應(yīng)與逆反應(yīng)的反應(yīng)熱的數(shù)值相等，符號(hào)相反。對(duì)嗎？答：對(duì)。這也是熱化學(xué)定律的重要內(nèi)容。62附例1.4

設(shè)反應(yīng)物和生成物均處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，計(jì)算1mol乙炔完全燃燒放出的能量。解：從手冊查得298.15K時(shí)，各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓如下。226.730-393.509-285.83631.3

常見能源及其有效與清潔利用

能源是自然界中為人類提供能量的物質(zhì)資源。思考：能源對(duì)于人類的重要性，為什么能源科學(xué)被列為當(dāng)今社會(huì)的三大支柱之一。

能源是當(dāng)今社會(huì)的三大支柱（材料、能源、信息）之一。

能源是我們賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。641.3.1

世界能源的結(jié)構(gòu)與能源危機(jī)1.能源的分類一次能源二次能源常規(guī)

能源燃料能源煤炭、石油、天然氣、生物質(zhì)能煤氣、焦碳、成品燃油、液化氣、酒精非燃料能源水能電力、蒸汽、熱水新能源燃料能源核能人工沼氣、氫能非燃料能源太陽能、地?zé)?、風(fēng)能、海洋能激光利用

狀況使用

性質(zhì)形成條件表1.2能源的分類652.

世界能源的結(jié)構(gòu)和消耗195019601970198019902010102030405060能源結(jié)構(gòu)比例(%)年代圖1.7世界消耗的一次能源結(jié)構(gòu)煤炭

石油

天然氣

水電及其它663.能量消耗前六名的國家美國中國俄羅斯日本德國印度51015202530能源結(jié)構(gòu)比例(占世界%)

國家煤炭

石油

天然氣

核能

水電25.410.47.26.04.12.9圖1.8世界六國消耗的一次能源比例及總比例（占世界）趨勢（比例）：石油和天然氣下降；煤炭上升；核電上升。674.能源危機(jī)本質(zhì)：能量總量不變，質(zhì)量衰退了，有序能下降?？衫弥坝行堋睖p少了，于是產(chǎn)生了能源危機(jī)681.3.2煤炭與潔凈煤技術(shù)我國煤炭的一個(gè)特點(diǎn)是煤炭中含硫量較高，煤炭中的硫在燃燒時(shí)生成二氧化硫。SO2和粉塵是煤燃燒的主要一次污染物，其中的SO2是造成酸雨的主要原因。所以煤炭的開采和燃燒都會(huì)引起環(huán)境污染。思考：我國能源的現(xiàn)狀有何特點(diǎn)？答：1）能源總量豐富，但人均不足；

2）能源結(jié)構(gòu)不合理，優(yōu)質(zhì)能源比例太小 煤炭占一次能源的76%，天然氣消耗只有世界平均的76%，石油消耗只占世界平均的1/3。

3）能源利用率低，能耗高浪費(fèi)嚴(yán)重。691.煤炭的成分與熱值煤炭的主要成分：碳、氫、氧；少量氮、硫、磷等。煤炭的熱值：單位質(zhì)量或體積的燃料完全燃燒放出的熱量。標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為29.3MJ·kg-1。無煙煤：低硫，較好；煙煤：高硫，燃燒環(huán)境污染；褐煤：儲(chǔ)量大，但熱值低。煤炭的分類：702.

潔凈煤技術(shù)潔凈煤技術(shù)于1986年由美國率先提出，現(xiàn)已成為解決環(huán)境和能源問題的主導(dǎo)技術(shù)之一。煤甲醇合成汽油液體燃料(新型液態(tài)燃料)711.3.3

石油和天然氣石油石油是多種烴類的混合物，其中含有鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和少量含氧、含硫的有機(jī)物。思考：世界原油儲(chǔ)量最大的地區(qū)在哪兒？我國的原油產(chǎn)地在哪兒？答：世界原油儲(chǔ)量最大的地區(qū)是中東。我國的原油產(chǎn)地在東北、西北和山東（黑龍江省的大慶油田、新疆的克拉瑪依油田和山東省的勝利油田是中國三大油田）。721.

石油燃料產(chǎn)品石油經(jīng)過分餾和裂解等加工過程后可得到石油氣、汽油、煤油、柴油、潤滑油和瀝青等產(chǎn)品。思考：以上產(chǎn)品中最重要的是什么？汽油。95%的汽油用于驅(qū)動(dòng)汽車。衡量汽油質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)是辛烷值。直餾汽油的辛烷值約為55~72之間，在汽油中加入少量四乙基鉛可以將辛烷值提高到79~88，為了防止鉛在汽缸中沉積，加入少量二溴乙烷，使生成揮發(fā)性的溴化鉛，與尾氣一同排入大氣。思考：汽車尾氣污染物是什么？如何解決？答：主要污染物：NO、CO、HC和含鉛化物等。解決方法：采用無鉛汽油，對(duì)汽車尾氣進(jìn)行催化凈化。732.天然氣天然氣是低級(jí)烷烴的混合物，主要成分是甲烷，常與石油伴生。其熱值約為55.6MJ?kg-1。天然氣的優(yōu)點(diǎn)：

可直接應(yīng)用

易于管道輸送

污染少思考：西氣東送具有哪些重要意義？743.

沼氣和生物質(zhì)能植物殘?bào)w在隔絕空氣的情況下發(fā)生自然分解時(shí)產(chǎn)生的氣體稱為沼氣。沼氣約含60%的甲烷，其余為二氧化碳和少量的CO、H2、H2S等。思考：可用哪些原料制備沼氣？如果你來自農(nóng)村，你家使用過沼氣嗎？答：農(nóng)村一般用人畜糞便、雜草等制取沼氣。生物質(zhì)能的現(xiàn)代利用是將植物枝桿等在汽化爐中加壓汽化制成可燃?xì)怏w。答：都是。沼氣也屬于生物質(zhì)能。柴火是生物質(zhì)能的直接利用。思考：沼氣和柴火是生物質(zhì)能嗎？754.可燃冰—未來的新能源天然氣被包進(jìn)水分子中，在深海的低溫高壓下形成的透明結(jié)晶，外形似冰，用火柴一點(diǎn)就著，故稱“可燃冰”。CH4·xH2O(s)。形成條件：低溫高壓如0℃，76MPa。儲(chǔ)量：尚難正確估計(jì)，各文發(fā)表的數(shù)據(jù)相差較大。預(yù)測總量相當(dāng)于161萬億噸煤，可用100萬年；是地球上煤、石油和天然氣能量總和的2~3倍。分布：深水大陸架和陸地永久凍土帶。我國東海、南海有大量可燃冰，約相當(dāng)于全國石油儲(chǔ)量的一半。開采難，儲(chǔ)量豐富。761.3.4

煤氣和液化氣煤氣煤的合成氣及煉焦氣都是城市煤氣。來源于石油，主要成分為丙烷、丁烷等，煉油廠的副產(chǎn)品。液化氣煤氣的組成H2：50%；CO：15%；CH4：15%，熱值約16MJ?M-3思考：與煤氣相比，液化氣有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：無毒、低污染、熱值高于煤氣。液化氣作動(dòng)力→綠色汽車←燃料電池（各國競爭發(fā)展）。771.4

清潔能源與可持續(xù)發(fā)展思考1：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是無限的(不考慮太陽的壽命)？1：礦物能源（煤炭和石油）是有限的，來自宇宙的能源（如太陽能）和核能是無限的。2：開放性的結(jié)論1992年，聯(lián)合國環(huán)境于發(fā)展大會(huì)上提出了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人口、資源和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的口號(hào)。能源作為最緊缺的資源對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展起著關(guān)鍵的作用。781.4.1

能源開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展我國能源結(jié)構(gòu)不合理，優(yōu)質(zhì)能源比重太小。必須合理開發(fā)及進(jìn)一步開發(fā)新能源，才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。圖1.9治理前的熱電廠最有希望的清潔能源是氫能、太陽能以及核能和生物質(zhì)能等。可持續(xù)發(fā)展三原則：公平性、共同性和持續(xù)性。791.4.2

氫能氫能是一種理想的二次清潔能源。氫能的優(yōu)點(diǎn)

熱值高，其數(shù)值為142.9MJ?kg-1。燃燒反應(yīng)速率快，功率高原料是水，取之不盡產(chǎn)物是水，不污染環(huán)境思考：用氫作能源目前還存在一些問題，你認(rèn)為是哪些方面的問題？經(jīng)濟(jì)的制備方法，安全高效的儲(chǔ)運(yùn)方法和有效地利用。801.

氫氣的制取

太陽能光解

電解作為氯堿工業(yè)的副產(chǎn)品，是目前工業(yè)氫氣的制備方法。2NaCl+2H2OCl2+H2+2NaOH電解思考：用電解的方法大規(guī)模制取用作能源的氫氣可行嗎？從經(jīng)濟(jì)上考慮是不可行的。利用太陽光的能量催化分解水得到氫氣，最有前途的制氫方法。是研究的熱點(diǎn)。812.

氫氣的儲(chǔ)運(yùn)氫氣的密度小，且極難加壓液化，因此氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸是一個(gè)比較困難的問題。合金貯氫法原理：氫可以與某些合金在較高的壓力下生成化合物，這些化合物在合適的條件下可以釋放出氫氣。如鑭鎳合金：開發(fā)研究貯氫合金材料是當(dāng)今材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門分支。LaNi5+3H2LaNi5H6300kPa加熱821.4.3

太陽能太陽能是一種取之不盡、用之不竭的天然核聚變能。太陽能的利用不會(huì)引起環(huán)境污染，不會(huì)破壞自然生態(tài)。因此是人類最可靠、最有前景的能源形式。思考：如何利用太陽能？太陽能的利用方法是將太陽能轉(zhuǎn)換為更方便使用的能量形式，主要有以