热力学焓变教学课件

1、1.1 冶金反应的焓变计算,第一章 冶金热力学基础,1.1.1 焓与焓变 1.1.2 焓变的主要计算方法（最基本的方法） 1.1.3 热化学在冶金中的应用（简介）,1.1 冶金反应的焓变计算,冶金过程涉及大量的化学反应、成液反应、相变反应及其他的物理变化，研究这些过程热效应的知识称为“冶金热化学”。,衡量冶金过程反应热效应的热力学函数是内能和焓。,反应热效应：heat effect of reaction 热力学函数：thermodynamic function 内能：internal energy OR thermodynamic energy 焓：enthalpy,1.1.1 焓与焓变,（

2、1-1-1）,1.1.1 焓与焓变,（1-1-2）,它表明恒容过程的热效应等于体系内能的变化，当确定了过程恒容和只做体积功的条件，反应的热效应仅取决于体系的初末状态内能差，对于化学反应就仅取决于反应的产物和反应物的内能差。,1.1.1 焓与焓变,（1-1-3）,（1-1-4）,1.1.1 焓与焓变,（1-1-5）,这样，（1-1-3）式可改写为：,即焓（Enthalpy）的定义：,（1-1-4）,焓变,1.1.1 焓与焓变,1.1.2 焓变的主要计算方法,（1-1-6）,（1-1-7）,1.1.2焓变的主要计算方法,（1-1-8）,（1-1-9）,若有相变发生，还需要考虑相变焓(热)：,例如，

3、在不考虑固态晶型转化条件下，将1mol 固态物质，从298.15K加热到使其变为气态的温度T，需要吸收的物理热为：,1.1.2焓变的主要计算方法,1.1.2焓变的主要计算方法,1.1.2.2 化学反应的反应热与反应焓变,1.1.2焓变的主要计算方法,（1-1-9）,（1-1-9）式表示恒压条件下的反应热效应等于体系的焓变。,1.1.2 焓变的主要计算方法,例如，在恒压条件下，反应：,再例如：,1.1.2.3 热化学方程式及相关规定,1）化学反应方程式和反应进度,A.质量守恒定律（在化学反应中的应用）：参加化学反应的各种物质的总质量一定等于反应后各物质的总质量。,B.化学反应计量式或化学反应方程

4、式：根据质量守恒定律，用规定的化学符号和化学式来表示化学反应的式子。,反应,反应方程式,1.1.2.3 热化学方程式及相关规定,1.1.2.3 热化学方程式及相关规定,反应进度只与化学反应方程式的写法有关，而与选择系统中何种物质来表达无关。规定反应进度的 值统一为正值。,例如对化学计量方程：,1.1.2.3 热化学方程式及相关规定,D.热化学方程式 表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。例如：,m：表示反应进度变化为1mol;,r ： reaction，表示化学反应；,：热力学标准态 ；,T ： 温度（K）；,1.1.2.3 热化学方程式及相关规定,1.1.2.3 热化学方程式及相

5、关规定,1.1.2.3 热化学方程式及相关规定,但,即：反应的热效应（以及以后涉及的热力学容量性质）具有加和性。在此：,1.1.2.3 热化学方程式及相关规定,7）正、逆反应热效应的绝对值相同，符号相反，例如：,但,即：,1.1.2.3 热化学方程式及相关规定,这种写法与热力学中以反应焓变值的正、负表示体系吸、放热的规定不对应，又没有反应进度的表示，而且恒压反应热与反应温度、压力有关的事实也没有表示，因此已被废除。,1.1.2.4 化学反应焓变主要计算方法,1）盖斯定律 (Hess law) 在恒温恒压或恒温恒容条件下，化学反应的热效应（焓变或内能变），仅取决于反应的始末态，而与反应的具体途径

6、无关。即化学反应不论是一步完成还是分为几步完成，反应的焓变（反应的热效应）相同。这就是盖斯定律。盖斯定律不仅仅适用于反应的焓变、内能变，也适用于体系的任何一种容量性质。,解：可把上述反应画成下面的过程图。,始态：C(s)+O2,终态：CO2,A,B,根据盖斯定律，在 恒温恒压条件下，途径A和途径B的的焓变（热效应）相等，即：,于是所求为,1.1.2.4 化学反应焓变主要计算方法,由此可见，根据盖斯定律，不但减少大量实验测定工作，而且可以精确计算出难以或无法用实验测定的某些反应的反应热。 更普遍的意义在于，可以通过线性组合，用已知反应的焓变求未知反应的焓变。 这种能力需要大家掌握！,1.1.2.

7、4 化学反应焓变主要计算方法,2）标准摩尔反应焓变的计算,一般的化学反应及其反应热可以通过实验直接测定，也可以通过热力学数据通过计算得出。根据标准摩尔生成焓的定义，应用盖斯定律可以导出：化学反应物的标准摩尔反应焓变等于生成物的标准摩尔生成焓的总和减去反应物的标准摩尔生成焓的总和。 对于一般的化学反应：,1.1.2.4 化学反应焓变主要计算方法,例如：,凡此种种，不再赘述,1.1.2.4 化学反应焓变主要计算方法,8Al(s) + 3Fe3O4(s) = 4Al2O3(s) + 9Fe(s),解：1）反应的298K标准摩尔反应焓变为：,1.1.2.4 化学反应焓变主要计算方法,3）由基尔霍夫公式

8、计算反应焓变,对于化学反应，基尔霍夫（Kirchhoff）公式可表述为：,（1-1-11）,这就是说，反应的热效应随温度的变化率等于反应的热容差。,1.1.2.4 化学反应焓变主要计算方法,（1-1-12）,如果从298K到TK升温过程中有物质的相变，则要以相变温度为界点分段积分，并考虑物质的相变焓，规定生成物的相变焓为正，反应物的相变焓为负。 除上述方法外，还有很多计算反应焓的方法。,1.1.3 热化学在冶金中的应用（简介）,1.1.3.1最高（理论）反应温度的计算,高炉热风炉理论燃烧温度、高炉风口前理论燃烧温度、绝热火焰理论燃烧温度、金属热还原反应温度，都涉及要计算最高（理论）反应温度的问题。 如果已知绝热条件下反应的热效应和产物的热容，且假设这些热转变为提高产物的温度，则可以根据热平衡理论计算出反应体系的最终温度反应体系的最高（理论）反应温度。 由于绝热条件是理想的假设，所以实际反应温度的总是低于最高（理论）反应温度。一般尚有部分反应物残留，也会降低实际反应温度。,1.1.3热化学在冶金中的应用（简介）,1.1.3.2炼钢过程元素氧化发热的计算,氧气转炉炼钢是在1600附近的高温下进行的，热源主要有： （1）兑入的铁水（Hot metal）13