ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
ТЕРМОДИНАМИКА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Обозначения1*
G — свободная энергия;
Н — энтальпия;
Q — количество теплоты;
5 — энтропия;
U — внутренняя энергия.
1. Прописные буквы обозначают величину, отнесенную к произвольному количеству вещества или энергии.
I 2. Строчные буквы обозначают величину, отнесенную к единице измерения количества вещества. К примеру, свободная энергия 1 кмоля водорода обозначается gH. g — свободная энергия 1 кг вещества; g — свободная энергия 1 кмоля вещества;
g — свободная энергия 1 кг вещества при атмосферном давлении; g~ — свободная энергия 1 кмоля вещества при атмосферном давлении; gf — энергия образования 1 кмоля вещества;
gj — энергия образования 1 кмоля вещества при атмосферном давлении и температуре, 298 К, т. е. при нормальных условиях.
Некоторым студентам будет полезно перечитать первые страницам гл. 2 для восстановления в памяти таких основных понятий, как внутренняя энергия, энтальпия и энтропия. Здесь мы повторно : іриведем список обозначений термодинамических величин (см. приложение к гл. 2).
Давайте снова обратимся к реакции 2Н2 + 02 -> 2Н20,
в которой атомы водорода соединяется с атомами кислорода, образуя молек> ты воды. При объединении четырех атомов водорода с двумя атомами кислорода образовании двух молекул воды некоторое количество энергии остается в избы ке. Сила, которая связывает атомы в молекуле, имеет электрическую прирол. Тем не менее при прямом взаимодействии водорода с кислородом выделяет только тепловая энергия.
Предположим, что известное количество водорода р введено в калориметр, в котором поддерживается постоянное давление и имеется достаточное количество кислорода. В калориметре начинается реакция, в результате которой вьо ■ ляется определенное количество теплоты Q. Отношение Q/p = hCTOp называете теплотой сгорания водорода в кислородной атмосфере и измеряется в джо> на киломоль. Точное количество выделившейся теплоты зависит от температл как исходных веществ, так и продукта реакции, а также от агрегатного состоян1 последнего. Если вода находится в жидком состоянии, то теплота сгорания bbill чем в случае, когда вода находится в газообразном состоянии, так как в процес се конденсации воды выделяется дополнительное количество теплоты, раві і теплоте конденсации воды. Как уже пояснялось в гл. 3, все топлива, имеют в своем составе водород, характеризуются двумя значениями теплоты сгоранч высшей теплотой сгорания, когда продуктом является вода в жидком состоян і и низшей теплотой сгорания, когда вода образуется в виде пара.
|
(Я |
В силу того что реакция протекает при постоянном давлении, количеств выделившейся теплоты равно изменению энтальпии системы АН (см. опреде ление энтальпии в гл. 2):
Q = АН.
Количество теплоты больше нуля, если теплота подводится к системе, как случае тепловой машины. В экзотермических реакциях Q < 0, а следователь ' и АН < 0 .
Обратим внимание на договоренность о знаке, которая здесь использует Для того, чтобы остаться в рамках договоренности, принятой в гл. 2, энер X ""ex, которая подводится к системе, считается положительной; энергия, к торая отводится от системы ^ И^ых — отрицательной. Значит уравнение энергетического баланса выглядит следующим образом:
|
(Зь> |
yw + у W = 0.
Aj ВХ Zj вых
Энтальпия, как и любая другая энергетическая характеристика, не имеет абсолютного значения; измерить можно только ее изменение. Поэтому мы може •
положить значения энтальпии исходных веществ произвольными. По договоренности энтальпия всех элементов в их естественном состоянии при температуре 298,15 К принимается равной нулю. Это значит, что энтальпия газов Н2и О, при температуре 298,15 К равна нулю, а энтальпия атомарных водорода и кислорода — не равна.
Разность между значениями энтальпии продуктов реакции и исходных веществ называется энтальпией образования продуктов АНf. Если и исходные вещества, и продукты реакции находятся при нормальных условиях1*, то энтальпия обра - ювания называется стандартной AH°f.
|
р 3ь20О 300 400 эОО Температура, К |
|
ей 3 Ж d |
|
* |
|
стЗ Рн Ю О о о. 0$ с d * н с |
Для приблизительных расчетов скрытая теплота парообразования может считаться постоянной. Однако в действительности эта величина зависит от температуры: как можно видеть на рисунке, при увеличении температуры значение теплоты парообразования уменьшается.
В эксперименте с калориметром были получены следующие значения для энтальпии образования воды:
Н90 (пар) h} =-241,8 МДж/кмоль, (39)
^ J пар
Н90 (жидкость) h°f =-285,9 МДж/кмоль. (40)
" J ЖИЛХ
Индексы «пар» и «жидк» обозначают агрегатное состояние воды, которая является продуктом реакции Разность между значениями энтальпии образования жидкой воды и пара составляет -44,1 МДж/кмоль и равна скрытой теплоте конденсации воды Аконд. Очевидно, что /7коид = йпарообр, где Лпарообр - скрытая теплота парообразования.
