第一章 绪论_热力学.ppt

1. 转换为热能 太阳能热水器是目前广泛利用太阳能最典型的一个例子。其原理就是将太阳能转换为热能，是目前直接利用太阳能的最主要方式。 将光能转换为热能的关键是吸收材料，一般选用黑色、表面粗糙的材料以减少反射，增加对光子的有效吸收。 太阳光能的缺点： 1、能量密度低，因此设备的表面积必须很大。 2、对天气的依赖性强。 2. 转换为电能 光电池是人们最感兴趣的将光能转换为电能的一种设备。当光照射到一些半导体材料上时，半导体材料中的电子就可以吸收光子而跃迁到导带并产生电动势。 光电池在收音机、计算器、汽车、飞机、人造卫星等航天器的仪表等方面已经有广泛的应用。 3. 转换为化学能 植物能够从空气中的二氧化碳和根部吸收的水，利用太阳能进行光合作用合成碳水化合物而以化学能的形式储存能量。 太阳能光解制氢是近几年的热门研究课题。这是将太阳能转换为化学能的一种最有效的方法。 模拟光合作用也是各国科学家感兴趣的课题。 核能 核能的产生主要有两种方式，核裂变和核聚变。释放的能量用质能方程计算： 在中子的轰击作用下，较重原子核分裂成轻原子核的反应称为核裂变反应。 Ⅰ. 核燃料和核能的来源 核裂变反应 该反应损失质量Δm = 0.2118g·mol-1，能量变化为： 此能量相当于634.5吨标准煤完全燃烧所释放的能量。 核裂变是链式反应，不加控制则可制造成原子 弹；如加以控制，例如使用慢化剂—水，重水和石墨，则可建造成核电站。 2. 核聚变反应 高温作用下，轻原子核合并成较重原子核的反应。 释放的能量同样用质能方程计算。 太阳能就是氢的核聚变能，经计算1mol 聚变放出的能量为： 由于氢原子质量小，如折合成每g物质反应的热量， 则氢聚变所释放是能量是相同质量的铀裂变能量的3倍多。 图1.11 Ⅱ. 核电的优势与发展趋势 发展核能是必由之路 由其优势决定：高密度、清洁、经济、安全的能源。 核电的发展趋势 (1) 热堆的应用。应用广泛但燃料利用率很低；完善、智能化。 (2) 快堆的应用。核燃料利用充分，但工艺复杂，成本较高。加快研究和开发。 (3)可控热聚变堆。处于基础研究阶段，前景诱人。 图1.12 热力学能的组成部分和波谱分析 (1)平动能 Ut：质点在三维空间的平动运动有关的能量。通常只有流体质点具有该能量。 (2)转动能Ur：质点环绕质心转动所具有的能量。单原子气体没有该能量。 (3)振动能 Uv：与分子或多原子离子中的组成原子间相对的往复运动有关的能量。物质具有零点震动能。 (4)电子能 Ue：原子核与电子之间的相互作用系统所具有的能量。它是化学反应中能量变化的主要部分。 以上形式的能量依次增大，且它们均是量子化的。 波谱分析 利用物质发射或吸收电磁辐射波来进行定性及定量分析的测试方法。 一般地，根据波长可进行定性分析； 根据波谱强度可进行定量分析。 图1.13 500 MHz核磁共振波谱仪 紫外可见光谱 在有机化合物分子中有形成单键的σ电子、有形成双键的π电子、有未成键的孤对n电子。当分子吸收一定能量的辐射能时，这些电子就会跃迁到较高的能级，此时电子所占的轨道称为反键轨道，而这种电子跃迁同内部的结构有密切的关系。 　　 在紫外吸收光谱中，电子的跃迁有σ→σ*、n→σ*、π→π和n→π*四种类型 红外光谱 红外光谱法是一种根据分子内部某个基团的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。 核磁共振 核磁共振主要是由原子核的自旋运动引起的。不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可以用核的自旋量子数 I 来表示。自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在一定的关系，分为三种情况 分类 质量数 原子序数 自旋量子数I NMR信号 I 偶数 偶数 0 无 II 偶数 奇数 1,2,3，…（I为整数） 有 III 奇数 奇数或偶数 0.5,1.5，2.5，…（I为半整数） 有 质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法。基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。 质谱 光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。拉曼光谱是对入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。 拉曼光谱 原子荧光光谱(Atomic Fluorescence Spectrometry)是通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下产生的荧光发射强度，来确定待测元素含量的方法。 原子发射光谱(Atomic Emission Spectrometry)是利用物质在热激发或电激发