化学反应中的能量转化

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1、第一章化学反应中的能量转化化学反应的实质是原子、分子、离子和电子等原子结合态单元中的原子，进行了重排组合生成新的分子等原子结合态单元。尽管反应过程中参加反应的各原子核没有变化，但核外电子的运动状态发生了变化，并伴随有能量的变化。热力学是专门研究能量相互转换的一门科学。利用热力学的基本原理研究化学反应的学科称为化学热力学。化学热力学重点解决二个问题，一是本章将要讨论的化学反应中的能量转化问题，即化学反应热效应的计算；二是第二章要解决的化学反应进行的方向与限度的问题。化学热力学研究的是大量物质质点构成的宏观物系，不追究系统变化的具体途径，也不涉及

2、化学反应速率等问题。1.1基本概念1.1.1系统与环境自然科学所研究的对象是千变万化、丰富多彩的自然界，其中各种事物、各个部分是始终不断相互影响并相互联系的。但为研究问题的方便，需先确定研究对象的范围和界限，人为地将某一部分物体或空间，和自然界的其余部分分开，来作为研究的重点，被划出来作为研究对象的这部分物体或空间，称为系统。与系统密切相关的部分，则称为环境。实际上，环境通常是指与系统有相互影响的有限部分。系统与环境的边界可以是实际的，也可以是假想的。系统与环境间往往要进行物质和能量的交换而发生联系。按交换情况的不同，系统可分为三种类型。敞开

3、系统：系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换。封闭系统：系统与环境之间没有物质交换，只有能量交换。孤立系统：系统与环境之间既没有物质交换，也没有能量交换。例如，当关心一个烧杯中装有的一定量去离子水时，则这一定量的去离子水就是系统，烧杯壁和水面上方的空气就是环境，显然这个盛有水的烧杯是一个敞口系统，因为这时烧杯与四周除有热量的交换，同时通过水面还有水的蒸发和气体的溶解。如果给烧杯加上盖子(在烧杯上盖上一块表玻璃)，使之没有水的散发和气体的流通，就是一个封闭系统。若在烧杯四周再用保温材料包裹，则系统与环境之间既没有物质交换，也没有能量交换，就变

4、成了孤立系统。系统的选择根据研究需要而定，不同的方法和不同角度对系统的划分也不同。在讨论工程实际问题时更要注意具体情况具体分析，比如烧结炉是常用的工业设备(见图1.1所示)，在其中放置两块难熔金属片(如铁片和银片)，其间放有低熔点合金(如含锡和铋的合金)，在可控还原气氛(如氢、氮和氨的混合气体)保护下加热，使之烧结在一起。在这个例子中，如果要讨论烧结工艺的有关问题就可把整个烧结炉作为系统，它包括难熔23金属片、低熔点合金和气体介质。如果想研究烧结炉内可控保护气体间发生的反应，那NH3炉膛、绝热层两块难熔金属片低熔合金（如锡和铋的合金）么可把合

5、成氨反应：===当作一个系统加以讨论。而炉膛内的支架、难熔金属片、低熔点合金等物质及绝热层均为环境。图1.1反应烧结炉示意图系统还有一种分类法：单相系统或均匀系、多相系统或不均匀系。一个系统中，任何具有相同物理、化学性质的均匀部分，叫做系统的相。在不同的相间，有明显的界面，一般可用机械方法将它们分开。只有一个相的系统，称单相系统或均匀系，具有两个或两个以上相的系统，叫多相系统或不均匀系。气体物质及其混合物，一般为均匀的单相，如空气。液体物质按其溶解度的不同，可以分为完全互溶和部分互溶，前者如酒精与水，形成一个相；后者则形成有明显界面分开的多个

6、相，如四氯化碳和水的情况。没有绝对互不相溶的，只是溶解度及其微小罢了。固态物质较为复杂，它有晶态和非晶态之分，晶态中又有多种结构，分属不同的相。1.1.2状态与状态函数描述一个系统，必须确定它的一系列物理、化学性质，例如温度、压力、体积、组成、能量和聚集态等，这些性质的综合表现称为系统的状态，而用来表征系统宏观性质的这些可测物理量称之为状态函数。当系统的所有性质都有确定值时，就说系统处于一定的热力学状态；反之，当系统状态一定，系统的所有性质也都有确定值，即状态函数就有一个相应的确定值。若其中任一性质有了改变，系统的状态就会发生变化。例如，理想

7、气体的状态，通常可用(压力)、(体积)、(温度)、(物质B的量，通常写作)四个物理量来描述，其函数之间的关系就是理想气体状态方程式=(式中为摩尔气体常数)。变化前的状态，常称为起始状态(始态)；变化后的状态，则称为最终状态(终态)。如果状态发生变化，只要终态()和始态()一定，那么状态函数的变化值()就只有唯一的数值(=)，不会因始态至终态这一过程所经历的具体途径不同而改变。23状态函数的特点是：①单值性：系统的状态一确定，就有一套相互关联的状态函数与之一一对应。②殊途同归变化量等，系统状态发生变化时，状态函数的改变量，只与始态和终态有关，与

8、变化的具体途径无关。诸如描述系统的宏观性质的、、(焓)、、(熵)等状态函数只是它所处状态的单值函数。例如，将1mol()由始态(300K，100kPa)变化到终态(