(推荐)热力学基本状态参数
化学反应的热力学参数
化学反应的热力学参数热力学是研究能量变化和转化的物理学分支，而化学反应的热力学参数则是描述反应的能量特征和行为的重要指标。
本文将围绕化学反应的热力学参数展开讨论，探究其含义、计算方法以及对反应过程的影响。
一、热力学参数的含义化学反应涉及物质的能量转化和物质结构的变化。
热力学参数是用于描述反应过程能量状态和稳定性的物理量。
其中最常用的参数包括焓变（ΔH）、熵变（ΔS）和自由能变（ΔG）。
焓变（ΔH）表示反应过程中吸热（ΔH>0）或放热（ΔH<0）的情况，即系统与周围环境之间的能量交换。
焓变为正值时，反应吸收能量；焓变为负值时，反应放出能量。
熵变（ΔS）是反应过程中体系内部的混乱度变化。
熵是物质无序程度的度量，熵变体现了反应过程中物质结构的变化。
当物质的有序性增加，熵变为负值；当物质的有序性减少，熵变为正值。
自由能变（ΔG）是描述反应驱动力的参数，它判断反应的可逆性和方向。
自由能变为负值时，反应是可逆的；自由能变为正值时，反应是不可逆的。
自由能变为零时，反应达到平衡。
二、热力学参数的计算方法热力学参数的计算需要借助热力学公式和实验数据。
以焓变为例，焓变的计算公式为：ΔH = ∑(H生成物 - H反应物)其中ΔH表示焓变，H表示反应物和生成物的焓值。
焓值可以通过测量反应物和生成物在标准状态下的热量变化得到。
熵变和自由能变的计算也需要根据各自的计算公式，其中熵变的计算需要考虑温度对熵的影响。
自由能变的计算通常会结合焓变和熵变，使用以下公式：ΔG = ΔH - TΔS其中ΔG表示自由能变，T表示系统的温度。
三、热力学参数对反应过程的影响热力学参数反映了反应过程中能量的流动和转化，对反应速率、平衡态和可逆性等方面有重要影响。
1. 反应速率：焓变和熵变共同影响反应速率。
一般来说，反应焓变越大，反应速率越快；反应熵变越大，反应速率也越快。
焓变和熵变对反应速率的影响可以通过活化能来解释，其中焓变决定反应的初速度，熵变决定反应的传递过程。
第四章热力学参数状态图详解
相连，所连直线与 G=A+BT/K线相交，交点温度即为还原温度。
(3)在给定温度及CO/CO2比值条件下，判断气氛对金属的性质 方法是：先求出指定温度下的平衡CO/CO2比，然后将指定的CO/CO2 比值与CO/CO2的平衡值相比较，若前者大于后者，则气氛对金属讲是还 原性的，即发生金属氧化物被CO还原的反应，反之发生金属被CO2氧化的 反应。
4.2 理查森(Richardson)-杰弗斯(Jeffes)图
1. 自由能标尺： (1)直线的斜率
表明图中直线的斜率即为氧化物的 标准熵变。当反应物质发生相变时，直 线斜率也发生变化，表现在直线中出现 拐点。 (2)直线的位置
不同元素的氧化物标准吉布斯自由 能变化与T的关系构成位置高低不同的 直线，由此可得出：
碳热还原法是利用碳还原金属氧化物制取纯 金属的一种方法。在工艺过程中，金属易与 碳生成碳化物，且在一定范围内，生成的CO 可 按 布 氏 （ Boudouard ） 反 应 进 行 分 解 ， 即 2CO = C(S) +CO2，从而使还原反应变得复杂 化。若将各还原反应的反应吉布斯自由能的 变化对T的关系绘制成图，则可直观地看出还 原反应的顺序，并可以从图上直接读出各反 应进行的温度及压力条件。
E—pH图分析 (1) 水的稳定性
右图为 Fe—H2O系E—pH图，图中，a线以下， 电位比氢的电位值负，发生H2的析出，表明水不稳 定。a线以上，电位比H2的电位正，发生氢的氧化， 水是稳定的。同理b线以上析出O2，水不稳定，b线 以下，氧还原为OH－，水是稳定的。 (2) 图中点、线、面的意义
热力学中的基本状态参数有
热力学中的基本状态参数有
热力学中的基本状态参数有温度、压强、体积、内能、焓、熵等。
温度是物体内部微观粒子的平均动能，是衡量物体热量高低的指标。
压强是单位面积受到的力的大小，描述了物体对外部施加的压力。
体积是物体占据的空间大小。
内能是物体内部微观粒子的总能量，包括微观粒子的动能和势能。
焓是表示物体在常压下进行等压过程的能量，等于物体内能减去对外界所做的功。
熵是表示物体的无序程度，是描述物体热力学过程中热等效性的重要参量。
这些基本状态参数在热力学中有着重要的应用和意义，可用于描述物体的热力学状态和进行热力学计算。
- 1 -。
工程热力学第一章
（3）好处：用系统的参数来计算；可以作 好处：用系统的参数来计算； 为实际过程中能量转换效果比较的标准和极 限；可把实际过程当作可逆过程进行分析计 然后再用经验系数加以修正。 算，然后再用经验系数加以修正。 （4）热量和功量 热量和功量都是过程量， 热量和功量都是过程量，它们的大小不仅与 过程的初终状态有关， 过程的初终状态有关，而且与过程的性质有 关。 可逆过程的功量： 可逆过程的功量： w = ∫ pdv 可逆过程的热量： 可逆过程的热量： q = ∫ Tds
C B A
课后题1 课后题1-5；1-6；1-9
（c）系统内部状态参数不随时间而变化 （d）系统内部状态不发生改变 2.均质等截面杆的两端的温度由分别维持 2.均质等截面杆的两端的温度由分别维持 t1 t2的两热源保持 t1 t2 不变，取此杆为系统， 不变，取此杆为系统， 则系统处于（ 则系统处于（B）。 平衡状态， （a）平衡状态，因其各截面温度不随时间改 变 非平衡状态， （b）非平衡状态，因其各截面温度不等 平衡状态， （c）平衡状态，因其各截面温度不随时间改 变，且流入系统的热量等于流出系统的热量 非平衡状态， （d）非平衡状态，因其处于重力场
4.基本状态参数：温度、压力、 4.基本状态参数：温度、压力、比体积 基本状态参数 温度： （1）温度：是热平衡的惟一判据
t = T − 273.15
（2）压力Βιβλιοθήκη p = B + pg
p = B−H
（3）比体积 二、平衡状态、状态公理及状态方程 平衡状态、 1.定义 是指在没有外界作用的情况下， 定义： 1.定义：是指在没有外界作用的情况下， 系统的宏观性质不随时间变化的状态。 系统的宏观性质不随时间变化的状态。 2.实现平衡的条件： 2.实现平衡的条件：系统内部及系统与外界 实现平衡的条件 之间各种不平衡势差消失
第二讲：热力学基本概念1-状态参数和热力学温标
常用温标之间的关系
绝对K 373.15 摄氏℃ 100 水沸点 37.8 273.16 273.15 华氏F 212 发烧 100 32 朗肯R 671.67 559.67 491.67 459.67
0.01水三相点 0 冰熔点 -17.8 -273.15
盐水熔点 0 -459.67
工程热力学
容积变化功
简单可压缩系统
C Compression i W Work k
压缩功 膨胀功
Expansion Work
工程热力学
State and state properties
状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数 描述热力系状态的物 量 状态参数：描述热力系状态的物理量 状态参数的特征： 状态参数的特征
充要条件： Total diff differentials ti l
z z xy yx
2 2
可判断是否 是状态参数
工程热力学
Intensive properties
强度参数与广延参数
如压力 p、温度T
Extensive properties
强度参数 与物质的量无关的参数 强度参数：与物质的量无关的参数 广延参数：与物质的量有关的参数可加性
If t two b bodies di are i in th thermal l equilibrium with a third body, they are also in thermal equilibrium with each other.
工程热力学
为什么叫做热力学第零定律
热力学第零定律 热力学第一定律 热力学第二定律 热力学第三定律 1931年 18401850年 18541855年 1906年 T E S
01第一章 基本概念1-2状态和状态参数
国际单位制：J / K 或 J / (kg.k) 工程单位制：kcal 或 kcal / (kg.k)
状态参数
• 状态参数是热力系状态的单值函数
• 状态参数的值仅取决于给定的状态，而与达到 这一状态的途径无关 • 状态参数的这一特性在数学上的表现是:它是点 函数，它的微分是全微分，全微分的循环积分 等于零
状态的单值函数。 物理上—与过程无关； 数学上—其微量是全微分。
dx 0
1b 2
dx dx
1a 2
状态参数分类
广延量（extensive property） 强度量（intensive property ）
V 又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积 v m 工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。
1-2 状态和状态参数
热力学状态（state of thermodynamic system） —热力系在指定瞬间所呈现的全部宏观性质的总称 （系统宏观物理状况的综合） 状态参数（state properties） —从各个不同方面描写这种宏观状态的物理量
六个常用状态参数：
压力、比体积、温度、 热力学能、焓、熵
e u ek ep
外部储存能
宏观动能与内动能的区别
5、焓
• 焓是一个组合的状态参数：
H U pV
• 单位质量物质的焓称为比焓（有时简称为焓）：
H h u pv m
H mh
• 国际单位制：J 或 J / kg • 工程单位制：kcal，比焓的单位是kcal/kg。 • 在工程单位制中pV乘积的单位是功kgf.m。
功和热量单位kcal之间的换算关系
1 1kgf m kcal 426 .936
热力学基本状态参数
热力学基本状态参数功和热量1-1 工质和热力系一、工质、热机、热源与冷源1、热机（热力发动机）：实现热能转换为机械能的设备。
如:电厂中的汽轮机、燃气轮机和内燃机、航空发动机等。
2、工质:实现热能转换为机械能的媒介物质。
对工质的要求:1）良好的膨胀性; 2）流动性好；3）热力性质稳定,热容量大；4）安全对环境友善；5）价廉，易大量获取。
如电厂中的水蒸汽；制冷中的氨气等。
问题：为什么电厂采用水蒸汽作工质？3、高温热源：不断向工质提供热能的物体（热源）。
如电厂中的炉膛中的高温烟气4、低温热源：不断接收工质排放热的物体（冷源）如凝汽器中的冷却水二、热力系统1、热力系统和外界概念热力系:人为划分的热力学研究对象(简称热力系）。
外界:系统外与之相关的一切其他物质。
边界:分割系统与外界的界面。
在边界上可以判断系统与外界间所传递的能量和质量的形式和数量。
边界可以是实际的、假想的、固定的，或活动的。
注意:热力系的划分，完全取决于分析问题的需要及分析方法的方便。
它可以是一个设备（物体），也可以是多个设备组成的系统。
如：可以取汽轮机内的空间作为一个系统，也可取整个电厂的作为系统。
2、热力系统分类按系统与外界的能量交换情况分1）绝热系统：与外界无热量交换。
2）孤立系统：与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量交换的系统。
注意：实际中，绝对的绝热系和孤立系统是不存在的，但在某些理想情况下可简化为这两种理想模型。
这种科学的抽象给热力学的研究带来很大的方便。
如：在计算电厂中的汽轮机作功时，通常忽略汽缸壁的散热损失，可近似看作绝热系统。
状态及基本状态参数状态参数特点u状态参数仅决定于状态，即对应某确定的状态，就有一组状态参数。
反之，一组确定的状态参数就可以确定一个状态。
状态参数的变化量仅决定于过程的初终状态，而与达到该状态的途径无关。
因此，状态参数的变化量可表示为（以压力p为例）：二、基本状态参数1.表压与真空表压力：当气体的压力高于大气压力时（称为正压），压力表的读数（pg），如锅炉汽包、主蒸汽的压力等。
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
热力学方面获诺贝尔奖的科学家（5）
I.普里戈金 Ilya Prigogine (1917-2003) 比利时 热力学的耗散结构理论 1977年诺贝尔化学奖
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
热力学方面获诺贝尔奖的科学家（6）
K.G.威尔逊 Kenneth G. Wilson (1936-) 美国 临界重整化群理论 1982年诺贝尔物理奖
是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学
建立节能的理论基础
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
(1) 中国能源资源缺乏 (2) 中国能源利用效率低下 (3) 能源环境问题突出
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
热力学的分类
工程热力学：热能与机械能 热 物理热力学 力 化学热力学 学
汽车发动机与传ห้องสมุดไป่ตู้（内燃机）
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
内燃机装置基本特点
1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环
(加压、加热、 膨胀做功、放热)
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
涡轮风扇发动机（航空发动机）
燃烧室 高压透平
压气机
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
热力系统
Thermodynamic system
1、系统的定义
热力系统(热力系、系统)：人为地
system
研究对象
A quantity of matter or a region in space chosen for study
热力学基本概念1-状态参数、热力学温标
热力系统
2、系统、外界与边界 外界：系统以外的所有物质 surroundings 边界(界面)：系统与外界的分界面 boundary
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热力学基本状态参数功和热量1-1 工质和热力系一、工质、热机、热源与冷源1、热机（热力发动机）：实现热能转换为机械能的设备。
如:电厂中的汽轮机、燃气轮机和内燃机、航空发动机等。
2、工质:实现热能转换为机械能的媒介物质。
对工质的要求:1）良好的膨胀性; 2）流动性好；3）热力性质稳定,热容量大；4）安全对环境友善；5）价廉，易大量获取。
如电厂中的水蒸汽；制冷中的氨气等。
问题：为什么电厂采用水蒸汽作工质？3、高温热源：不断向工质提供热能的物体（热源）。
如电厂中的炉膛中的高温烟气4、低温热源：不断接收工质排放热的物体（冷源）如凝汽器中的冷却水二、热力系统1、热力系统和外界概念热力系:人为划分的热力学研究对象(简称热力系）。
外界:系统外与之相关的一切其他物质。
边界:分割系统与外界的界面。
在边界上可以判断系统与外界间所传递的能量和质量的形式和数量。
边界可以是实际的、假想的、固定的，或活动的。
注意:热力系的划分，完全取决于分析问题的需要及分析方法的方便。
它可以是一个设备（物体），也可以是多个设备组成的系统。
如：可以取汽轮机内的空间作为一个系统，也可取整个电厂的作为系统。
2、热力系统分类按系统与外界的能量交换情况分1）绝热系统：与外界无热量交换。
2）孤立系统：与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量交换的系统。
注意：实际中，绝对的绝热系和孤立系统是不存在的，但在某些理想情况下可简化为这两种理想模型。
这种科学的抽象给热力学的研究带来很大的方便。
如：在计算电厂中的汽轮机作功时，通常忽略汽缸壁的散热损失，可近似看作绝热系统。
状态及基本状态参数状态参数特点u状态参数仅决定于状态，即对应某确定的状态，就有一组状态参数。
反之，一组确定的状态参数就可以确定一个状态。
状态参数的变化量仅决定于过程的初终状态，而与达到该状态的途径无关。
因此，状态参数的变化量可表示为（以压力p为例）：二、基本状态参数1.表压与真空表压力：当气体的压力高于大气压力时（称为正压），压力表的读数（pg），如锅炉汽包、主蒸汽的压力等。
有:pg=p-pb p的计算式： p=pg+pb真空（度）：当气体的压力低于大气压力时（称为负压），负压表（真空表）的读数（pv），如凝汽器的压力、炉膛压力等。
有: pv=pb-p p的计算式：p=pb-pv压力的单位（1）国际制：1帕=1pa=1N/m21千帕=1kpa=103pa1兆帕=1Mpa=106pa ; 1巴=1bar=105pa（2）工程中可用液柱高和工程大气压表示压力大小。
1mmHg≈133.3Pa1工程大气压=1at=1kg/cm2（3）标准大气压：将纬度45o海平面上的常年平均气压称之，（物理大气压）1标准大气压=1atm=760mmHg=1.01325X105pa（4）标准状态: 处于1标准大气压下，温度为0 oC的状态.各种压力单位与帕的换算关系2、温度（1）概念：传统：标志物体冷热程度的物理量。
微观：衡量分子平均动能的量度。
（2）温标：温度的数值标尺。
温标的建立是确定其基准点和分度方法，常用的有摄氏温标和热力学温标。
1）摄氏温标（t，℃）：2）热力学温标（绝对温标、开尔文温标）（T， K）：以水的三相点为基点，并定义为273.16 K,每1/273.16为1K。
3）相互关系：基准点不同，但分度一样热力学第零定律：如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。
或表述为处于热平衡的物体必具有相同的温度。
是温度测量的理论基础。
温度的热力学定义：处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量——温度。
温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量测温仪表日常：水银温度计，酒精温度计，工业：热电偶、热电阻、辐射温度计计量：铂电阻温度计3、比体积v （比容）比体积：单位质量工质所占有的容积。
v=V/m 单位： (m3/kg)密度ρ：单位容积内工质的质量。
ρ=m/V单位： (kg/m3)相互关系：ρv=1即互为倒数例题分析例题1-1：如图所示,用水银压力计测量凝汽器的压力，已知测压计读数为 706mmHg,当地大气压pb＝98.07kpa，求凝汽器的绝对压力、表压力和真空。
解：由于凝汽器内蒸汽的密度远小于水银的密度，忽略蒸汽高度产生的压力，则凝汽器内真空:pv=706×133.3 =94110(Pa)绝对压力力p＝pb-pv＝98070—94110＝3960(Pa)凝汽器的表压力pg=p-pb=3960-98070=94110(Pa)说明：凝汽器内的表压力为负值．称为负压，负压与真空的绝对数值是相等的。
例1-2? 一台型号HGl021／18.2—540／540的锅炉，其中18.2指的是蒸汽的表压力为18.2MPa，当地大气压为750mmHg，试求蒸汽的绝对压力为多少?解：根据p=pb+pg，则绝对压力为p=750×133.3十18.2×l06=18.3×106(Pa) ＝18 .3Mpa1-3 平衡状态和热力过程1．平衡状态（3）实现平衡的条件热平衡：组成热力系统的各部分之间没有热量的传递。
力平衡：组成热力系统的各部分之间没有相对位移。
化学平衡：系统内各组成成分不再变化。
（4）平衡状态特点：1）只有平衡状态是可以描述的（有确定的状态参数）；2）平衡状态不会自行打破；3）非平衡状态会自动趋于平衡。
2、状态方程式状态方程式：状态参数之间的函数关系式称为状态方程。
简单可压缩系统：系统和外界只有热量和体积变化功（膨胀功或压缩功）交换的系统。
对这种系统只需两个独立的状态参数，便可确定它的平衡状态（由状态定理）。
3、状态参数坐标图两个独立的状态参数可以确定一个状态，这样由任意两个相互独立的状态参数构成一个直角坐标图称为状态参数坐标图。
常用的有p-v图和T-s图等.坐标图上的一个点表示工质所处的一个状态，线表示某个热力过程。
点——状态（1、2）线——热力过程（1—2）二、热力过程和准平衡过程实际过程与准平衡过程(2)按过程与外界产生的效果分1)可逆过程：一个过程进行以后，若使其原路返回至原态，并使系统和外界不发生任何改变，则这一过程称为可可逆过程，2)不可逆过程:否则称为不可逆过程。
实现可逆过程的充要条件推动过程进行的势差无限小，如传热无温差，无压差；不存在任何耗散效应，如作机械运动时不存在摩擦。
可逆运动与不可逆运动平衡过程与可逆过程比较1）都是理想化过程。
2）平衡指系统内部状态的平衡，可逆指与外界的效果。
3）可逆必平衡，平衡不一定可逆。
但不平衡一定不可逆。
分析研究可逆过程的意义：可逆过程是一个理想过程，自然界中一切实际过程（如传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等）均是不可逆过程。
可逆过程的概念为热力学分析提供了很大的方便。
利用这一概念可以将复杂的实际过程近似简化为一个理想的可逆过程加以研究，然后再加以适当的修正，所以研究可逆过程在理论上具有十分重要的意义。
1-4 功和热量3、可逆过程的体积变化功与p-v图（1）体积变化功：这种直接由系统容积变化与外界间发生作用而传递的功称为体积变化功（膨胀功或压缩功）。
（1）体积变化功对由气缸和活塞所包围的热力系统，进行的微元过程中，如活塞所受推力为F,位移为dx,则系统对外界作的膨胀功为：δW=Fdx对可逆过程，F=pA,所以有：（2）功的计算及P-V图二、热量与T-S图1．热量的定义：工程热力学中把依靠温差而通过边界传递的能量称为热量。
热量和热能不同，热量不是状态参数，它不仅与过程初、终态有关，而且与过程如何进行密切相关；热能则是物质热运动形态的反映，仅取决于状态，是状态参数。
可见：热量是过程量；热量是传递的能量（瞬时量）2．热量的符号与单位热量：用Q表示，国际单位制中，热量的单位是焦（耳），用J表示。
工程上常用千焦（kJ）表示，1kJ=1000J比热量：1kg气体与外界交换的热量，用q表示，单位为J/kg。
热量正负:工程热力学中规定，工质从外界吸热，热量为正；工质向外界放热，热量为负。
3、热量的计算和T-S图热力系与外界进行的各种能量交换所遵循的规律都是类似的，可以采用描述功的类似的方式来描述热量的传递。
热量与容积变化功熵及T—S图可逆过程中比容的变化是做容积功的标志，那么在可逆传热过程中也应该存在某一状态参数可用来作为热量传递的标志。
我们就定义这个新的状态参数为“熵”。
以符号S表示.熵的定义式：dS=dQ/T或 ds=dq/T熵的单位：kJ/k或J/k比熵：s=S/m,比熵的单位：kJ/（kg.k）或J/（kg.k）例1-4如图所示，1kg气体经历了AB、BC、CA三个可逆过程，试求出每个过程的功量和整个过程的总功量。
解：计算各过程曲线下的面积就是相应过程的功WAB=1/2(P1+P2)(V2-V1)=- WBAWBC=0WCA=p1(v1-v2)=-p1(v2-v1)= -WACWABC=wAB+WCA =1/2(p2-p1)(v2-v1)即整个过程的功是封闭三角形ABC的面积.理论上说，常见液体和固体物质中，水的比热容最大对上表中数值的解释：(1)比热此表中单位为kJ/(kg·℃)/ J/(kg·℃)，两单位为千进制1kJ/(kg·℃)/=1*10³J/(kg·℃)(2)水的比热较大，金属的比热更小一些(3)c铝>c铁>c钢>c铅补充说明：⒈不同的物质有不同的比热，比热是物质的一种属性，因此，可以用比热的不同来（粗略地）鉴别不同的物质（注意有部分物质比热相当接近）⒉同一物质的比热一般不随质量、形状的变化而变化。
如一杯水与一桶水，它们的比热相同。
⒊对同一物质，比热值与物态有关，同一物质在同一状态下的比热是一定的（忽略温度对比热的影响），但在不同的状态时，比热是不相同的。
例如水的比热与冰的比热不同。
⒋在温度改变时，比热容也有很小的变化，但一般情况下可以忽略。
比热容表中所给的比热数值是这些物质在常温下的平均值。
⒌气体的比热容和气体的热膨胀有密切关系，在体积恒定与压强恒定时不同，故有定容比热容和定压比热容两个概念。
但对固体和液体，二者差别很小，一般就不再加以区分。
常见气体的比热容（单位：kJ/(kg·K)）Cp Cv氧气0.909 0.649氢气14.05 9.934水蒸气1.842 1.381氮气1.038 0.741什么是显热、潜热、热湿比及焓？什么是显热？显热主要表现在由于空气干球温度的变化而发生的热量转移，比如空气干球温度的升高或降低而引起的热量。
潜热的发生总会伴随着物质相态的变化，简单的理解就是水在沸腾的时候要吸收很多的热量而温度没多大的变化。