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1、热力学及其应用热力学及其应用Thermodynamics and its applications 王习东王习东能源与资源工程系能源与资源工程系Department of Energy and Resources Engineering主讲：主讲：王习东王习东能源与资源工程系能源与资源工程系主要参考书主要参考书化学热力学基础、高执棣主编化学热力学基础、高执棣主编北京大学出版社、北京大学出版社、2004年年热力学（热力学（Thermodynamics）（第）（第6 版）版）Kenneth Wark Jr./Donald E.Richards主编主编清华大学出版社、清华大学出版社、2006年年工程
2、热力学、武淑萍主编工程热力学、武淑萍主编重庆大学出版社、重庆大学出版社、2006年年1 1 绪论绪论2 2 热力学基础与热力学基础与化学热力学化学热力学3 工程热力学基础工程热力学基础4 4 化学热力学在能源与环境材料中的应用化学热力学在能源与环境材料中的应用5 5 化学热力学在资源利用过程的应用化学热力学在资源利用过程的应用6 6 化学热力学在能源动力中的应用化学热力学在能源动力中的应用7 工程热力学在新兴能源利用中的应用工程热力学在新兴能源利用中的应用 8 8 热力学发展展望热力学发展展望 课程内容课程内容2 2 热力学基础与化学热力学热力学基础与化学热力学2.1 2.1 热力学基本概念热
3、力学基本概念2.2 2.2 热力学基本定律热力学基本定律2.3 2.3 热化学与化学平衡热化学与化学平衡2.4 2.4 相平衡与相图相平衡与相图2.5 2.5 多元、多相平衡热力学多元、多相平衡热力学2.6 2.6 多元溶液热力学多元溶液热力学2.7 2.7 表面热力学表面热力学2.8 2.8 电极过程热力学电极过程热力学2.8 电极过程热力学电极过程热力学原电池与蓄电池原电池与蓄电池原电池（又称为一次电池）：原电池（又称为一次电池）：是一种随着化学变化是一种随着化学变化而自由能减少，并且这些减少的自由能可以直接转而自由能减少，并且这些减少的自由能可以直接转换成电能输出的组合装置：换成电能输出
4、的组合装置：蓄电池（又称为二次电池）：蓄电池（又称为二次电池）：是一种具有可逆充电、是一种具有可逆充电、放电反应的电池，放电时通过化学反应可以产生电能，放电反应的电池，放电时通过化学反应可以产生电能，通以反向电流（充电）则可以使体系回复到原来的状通以反向电流（充电）则可以使体系回复到原来的状态，即电能以化学能的形式重新储存起来。态，即电能以化学能的形式重新储存起来。化学能化学能电能电能化学能化学能电能电能电能电能电池组成与电动势产生原理电池组成与电动势产生原理电极化电极化学反应学反应外电路电外电路电子流动子流动形成形成电流电流（1 1）化学电池原理）化学电池原理电极的电极的“负极负极”“氧化氧
5、化”与与“正极正极”“还原还原”化学反应化学反应电势电势高高的电极称为的电极称为正极正极，电流从电流从正极正极流向流向负极负极。正极：正极：电势电势低低的电极称为的电极称为负极负极，电子从电子从负极负极流向流向正极正极。负极：负极：发生发生还原作用还原作用的电极称为的电极称为阴极阴极，原电池原电池阴极阴极是是正极正极,电解池是电解池是负极负极阴极：阴极：阳极：阳极：发生发生氧化作用氧化作用的电极称为的电极称为阳极阳极，原电池原电池阳极阳极是是负极负极,电解池是电解池是正极正极原电池原电池阳极：阳极：发生发生氧化反应的氧化反应的电极（电极（负极负极）；）；阴极：阴极：发生发生还原反应的还原反应的
6、电极（电极（正极正极）；）；阳极阳极正极正极阴极阴极负极负极电极电位较电极电位较正的为正极正的为正极电解电池电解电池阳极：阳极：发生氧发生氧化反应的电极化反应的电极（正极）；（正极）；阴极阴极：发生还：发生还原反应的电极原反应的电极（负极负极）；）；阳极阳极=正极正极阴极阴极=负极负极阳离子阳离子迁向迁向阴极阴极，在，在阴极上发生阴极上发生还原作用还原作用阴离子阴离子迁向迁向阳极阳极，在，在阳极上发生阳极上发生氧化作用氧化作用在电解池中在电解池中阳离子阳离子迁向迁向阴极阴极阴离子阴离子迁向迁向阳极阳极在原电池中在原电池中在阴极上发生在阴极上发生还原还原的是的是在阳极上发生在阳极上发生氧化氧化的
7、是的是在电极上发生反应的先后由其性质决定在电极上发生反应的先后由其性质决定阳极上发生氧化作用阳极上发生氧化作用阴极上发生还原作用阴极上发生还原作用在电解池中，在电解池中，用惰性电极用惰性电极-+电源电解池+Pt-Pt电极上的反应次序由电极上的反应次序由离子的活泼性决定离子的活泼性决定阳极上发生氧化作用阳极上发生氧化作用阴极上发生还原作用阴极上发生还原作用在电解池中，在电解池中，都用铜作电极都用铜作电极-+电源电解池+Cu-Cu电极有时也可发生反应电极有时也可发生反应Schematic Description of the FFC-Cambridge ProcessSchematic Descr
8、iption of the FFC-Cambridge Process Reduction Step铬铁矿的焙烧铬铁矿的焙烧三氧化二铬和铬盐系列产品三氧化二铬和铬盐系列产品金属铬和铬铁的生产金属铬和铬铁的生产 传统铬工业是一个高能耗、高污染的行业。传统铬工业是一个高能耗、高污染的行业。铬盐清洁生产工艺的基础理论研究铬盐清洁生产工艺的基础理论研究亚熔盐体系相图构建与清洁工艺选择亚熔盐体系相图构建与清洁工艺选择 Chromite(Fe,Mg)O(Cr,Al,Fe)2O3 Complicated液相氧化过程除产生液相氧化过程除产生FeCr2O4外外 还存在：还存在：FeAl2O4、MgAl2O4、M
9、gCr2O4 等等 Removing Al,Mg and Fe from the chromate system is a very important part of the new technology.Fe2O3,MgO,NaAlO2 Na2CrO4.不同温度与碱度下不同温度与碱度下Na(K)2CrO4-NaOH-H2O 系相图系相图353K473K473K353K313K353K473K353K473K353K不同温度与碱度下不同温度与碱度下Na(K)AlO2-NaOH-H2O 系相图系相图相图计算结果与试验检测结果一致相图计算结果与试验检测结果一致 Cr？CrFe？探索探索熔盐熔盐介
10、介质下质下Cr及及CrFe清洁生清洁生产的可行性产的可行性熔盐电化学冶金新方法初步研究熔盐电化学冶金新方法初步研究 熔盐电脱氧法流程图熔盐电脱氧法流程图不同温度下烧结不同温度下烧结CrCr2 2O O3 3电极电解电极电解2h2h还原产物的还原产物的XRDXRD结果结果(a)950(a)950o oC(b)1150C(b)1150o oC C(a)(b)11501150o oC C下烧结下烧结CrCr2 2O O3 3电极电解还原产物电极电解还原产物SEMSEM图图(a)(a)电解电解2h(b)2h(b)电解电解4h(c)4h(c)电解电解6h(d)6h(d)电解电解8h8h(a)(b)(c)
11、(d)11501150o oC C下烧结下烧结CrCr2 2O O3 3电极电解还原产物电极电解还原产物XRDXRD结果结果(a)(a)电解电解2h(b)2h(b)电解电解4h(c)4h(c)电解电解6h(d)6h(d)电解电解8h8h(a)(b)(c)(d)11501150o oC C下烧结下烧结Cr2O3-Fe2O3电极电解不同时间电极电解不同时间产物的产物的SEMSEM形貌形貌 (a)(a)电解电解6h(b)6h(b)电解电解8h(c)8h(c)电解电解10h(d)10h(d)电解电解12h12h(a)(b)(c)(d)11501150o oC C下烧结下烧结Cr2O3-Fe2O3电极电解不同时间电极电解不同时间产物的产物的XRDXRD结果结果 (a)(a)电解电解6h(b)6h(b)电解电解8h(c)8h(c)电解电解10h(d)10h(d)电解电解12h12h(a)(b)(c)(d)电脱硫制备铜及铜铁初步研究电脱硫制备铜及铜铁初步研究FFC法目前大多用于金属氧化物的电脱氧，法目前大多用于金属氧化物的电脱氧，电脱硫的研究很少。电脱硫的研究很少。S2-在阳极释放有望直接得到单质硫，从而在阳极释放有望直接得到单质硫，从而大幅减少大幅减少SO2的排放的排放铜的硫化矿的处理流程较长，且很多有价铜的硫化矿的处理流程较长，且很多有价组分损失在渣相中组分损失在渣相中Thank You！