化学反应热力系统

简介

具有化学反应的热力系统，同样存在热与功的转换。化学反应系统可以是开口的，也可以是闭口。其热力系统通常由数种不同的物质的混合物组成，且在化学反应过程中系统的成分发生变化。

热力学第一定律在化学反应中的应用

闭口系统

Q=（Up-Ur）+W或Q=（U2-U1）+W 式中： Q——化学反应过程中，系统与外界交换的热量，称为反应热；反应热Q的符号仍和以前一样，吸热为正，放热为负；Up=U2——化学反应系统中生成物的总热力学能，即指化学反应所有生成物的热力学能总和；Ur=U1——化学反应系统中反应物的总热力学能，即指参加反应所有反应物的热力学能总和；W——化学反应系统与外界交换的总功。总功可分为俩部分：一部分是系统容积变化所做的膨胀功Wex；另一部分是系统所做的有用功Wa，如燃料电池中产生的电能等。

开口系统

Q=∑_PHa-∑_RHi+Wt 式中 ：Q——开口系统与外界交换的反应热；Wt——开口系统与外界交换的技术功；∑_PHa 和∑_RHi——反应后和反应前进出系统的总焓。

反应热与反应热效应

反应热

指化学反应过程中系统与外界交换的热量。

反应热效应

在反应过程中，系统不做有用功，生成物的温度与反应物的温度相等时系统所吸收或放出的热量。反应在定温定容条件下进行时，称为定容热效应Qv；反应在定温定压条件下进行时，称为定压热效应Qp，若不加注明，通常所谓热效应均指定压热效应。

标准反应热效应

当系统在标准状态下进行定温化学反应，或反应前后系统温度均为298K，又不产生无用功，则此时的反应热称为标准反应热效应。

燃料的热值

燃料在完全燃烧过程中所能释放的热能称为燃料的热值，又称为发热量或燃烧热。标准状态下热值称为标准热值。热值在数值上与反应热效应相等但符号相反，热效应为负值，热值为正值。 对含有H元素的燃料来说，燃烧产物中的水如为气态，则此时燃料的热值为低热值，若水为液态，则为高热值。差值为水的凝结潜热。

盖斯定律

又名反应热加成性定律(the law of additivity of reaction heat):若一反应为二个反应式的代数和时，其反应热为此二反应热的代数和。也可表达为在条件不变的情况下，化学反应的热效应只与起始和终了状态有关，与变化途径无关。

热力学第二定律在化学反应中的应用

目的和分析

dD + eE→gG + hH，在指定的宏观条件(如温度、压力等)下，随着反应的进行，体系中物质的种类和数量就发生变化，当正、逆两个方向的反应速率趋于相等时，反应就达到了化学平衡状态。如果温度和压力等条件发生变化，则原有的化学平衡常常被打破，反应体系将在新的条件下趋向新的化学平衡状态。化学平衡研究的目的就是要找出反应体系达平衡时温度、压力与各种物质的量及浓度的关系。反应趋势和化学平衡是化工生产中最重要的问题之一。化学平衡研究对化工、冶金、医药等工业生产具有重要的指导性意义。例如，在化工产品生产的工艺研究和设计时，需计算在不同的原料配比、不同的反应温度及压力下反应的最高产率，以此作为判断实际过程效率的标准，并根据这些因素对反应方向与限度的影响，选择适宜的操作条件与生产设备。

自由能

自由能是指在某一个热力学过程中，系统减少的内能中可以转化为对外做功的部分，它衡量的是:在一个特定的热力学过程中，系统可对外输出的“有用能量”。可分为亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能。

吉布斯自由能： G = U − TS + pV = H – TS其中U是系统的内能，T是温 度(绝对温度，K)，S是熵，p是压强，V是体积，H是焓。

亥姆霍兹自由能：A = U – TS 其中 U 是系统的内能，T 是温度，S 是熵。

自由焓

简介

力学函数之一，是判断等温、等压下冶金反应的方向及平衡态的依据。有的书刊上称它为:吉氏自由能(Gibbs free energy)。自由焓计算是冶金过程热力学的中心内容和基本手段。

计算公式

ΔG=ΔH-TΔS 若反应为吸热反应ΔH〉0 ，熵变小于零的话，任意温度下，ΔG〉0 反应逆向自发进行 若反应为放热反应ΔH〈0，熵变大于零的话，任意温度下，ΔG〈0 反应正向自发进行 若反应为吸热反应ΔH〉0 ，熵变大于零的话，高温条件下，ΔG〈0 反应正向自发进行 若反应为放热反应ΔH〈0，熵变小于零的话，低温条件下，ΔG〈0 反应正向自发进行

参考文献

廉乐明，谭羽非，吴家正，朱彤.工程热力学（第五版）[M].北京，中国建筑工业出版社，2007,225-246.

童钧耕，赵镇南.热工基础[M]，北京，高等教育出版社，2009,36-61

李映寰，浅论热力学第二定律在化学反应方向判断中的应用[D].合肥工业大学化学学院.2011

张在先，关于热力学与化学反应的部分联系[D]，南京大学.2007