热化学方程式范文

热化学方程式篇1

1、氢氧化铝受热分解氧化铝和水，反应的化学方程式为：2Al（OH）3=Al2O3+3H2O。

2、化学是自然科学的一种，在分子、原子层次上研究物质的组成、性质、结构与变化规律；创造新物质的科学。世界由物质组成，化学则是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一。它是一门历史悠久而又富有活力的学科，它的成就是社会文明的重要标志，化学中存在着化学变化和物理变化两种变化形式。

（来源：文章屋网 ）

热化学方程式篇2

1．考查热化学方程式的书写

例1.下列热化学方程式或离子方程式中，正确的是（）

A.甲烷的标准燃烧热为-890.3kJ•mol-1，则甲烷燃烧的热化学方程式可表示为：

CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) H=-890.3kJ•mol-1

B. 500℃、30MPa下，将0.5mol N2和1.5molH2置于密闭的容器中充分反应生成NH3(g)，放热19.3kJ，其热化学方程式为： H=-38.6kJ• mol-1

C. 氯化镁溶液与氨水反应：

D. 氧化铝溶于NaOH溶液：

解析：C 标准燃烧热的定义，在101kPa时，1mol可燃物完全燃烧生成稳定氧化物时放出的热量。水液态稳定，故A错。根据热化学方程式的含义，与 对应的热量是1mol氮气完全反应时的热量，但此反应为可逆反应故，投入0.5mol的氮气，最终参加反应的氮气一定小于0.5mol，故1mol氮气完全反应时放出的热量大于38.6kJ，所以H应小于-38.6kJ• mol-1，B错。D方程式错。

方法规律：做题时要审清题意，注意题目要求书写表示燃烧热、中和热的热化学方程式，还是一般的热化学方程式。

概念辨析：燃烧热：在101kPa时，1mol可燃物完全燃烧生成稳定氧化物时所放出的热量。使用燃烧热时要注意两个关键点：①反应物用量：可燃物为1mol ；②产物要求：充分燃烧成稳定氧化物[HH2O(l)、CCO2 (g)、SSO2 (g)]。

中和热：在稀溶液中，强酸跟强碱发生中和反应生成1molH2O时所放出的热量即H+(aq)＋OH－(aq)＝H2O (l)；H＝－57.3kJ/mol。注意：若在反应过程中还伴有其它热效应（如生成沉淀、固体溶解或浓溶液稀释、弱电解质的电离等），则放出的热量不再等于中和热，如稀醋酸与稀NaOH溶液反应生成1mol水，因醋酸的电离要吸热，放出的热量小于57.3KJ。

2．利用反应热大小判断物质的稳定性

例2 已知氯气、溴蒸气分别跟氢气反应的热化学方程式如下( 、 均为正值)：

，有关上述反应的叙述正确的是（ ）

A．B．1mol HBr(g)具有的能量大于1mol HBr(l)具有的能量

C．生成物总能量均高于反应物总能量D．生成1molHCl气体时放出 热量

解析：AB 非金属性越强，气态氢化物越稳定，物质的能量越低越稳定。所以HCl(g)的能量比HBr(g)低。又因Cl2比Br2氧化性强，更活泼，所以Cl2比Br2的能量高，因此 ，A正确。两个反应都是放热反应，生成物的总能量低于反应物的总能量，C错。由热化学方程式可知，生成2mol氯化氢放出的热量才是Q1, D错。物质在气态时具有的能量一般高于液态和固态时，故B正确。

方法规律：①等物质的量的同种物质拥有的能量关系是：气态>液态>固态，②物质所具有的能量越高越不稳定。

3．考查ΔH的意义

例3.下列各组热化学方程式中，化学反应的ΔH前者大于后者的是（ ）

① C(s)+O2(g)=CO2(g) ；ΔH1 C(s)+O2(g)=CO(g) ；ΔH2

② S(s)+O2(g)=SO2(g) ；ΔH3 S(g)+ O2(g)=SO2(g) ；ΔH4

③ H2(g)+O2(g)=H2O(l) ；ΔH52H2(g)+ O2(g)=2H2O(l) ；ΔH6

④ CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(s)；ΔH7 CaO(s)+ H2O(l)= Ca(OH)2(s) ；ΔH8

A．①B．④ C．②③④ D．①②③

解析：C ①碳的燃烧反应是放热反应，ΔH

②等物质的量的气态硫单质完全燃烧生成二氧化硫时放出的热量比固态硫单质完全燃烧生成二氧化硫时放出的热量多，ΔH4

③都生成液态水的前提下，氢气的物质的量越大，ΔH6

④碳酸钙受热分解是吸热反应，ΔH>0；氧化钙溶于水是放热反应，ΔH

方法规律：比较两个热化学方程式中反应热大小时要带“+、－”符号，而比较反应放出或吸收的热量的多少时不带“+、－”符号。审题时要特别注意是否考虑符号。

（1）弄清ΔH的意义：ΔH0,代表的反应是吸热反应，吸热越多，ΔH越大。

（2）弄清几个不同：①注意物质的聚集状态不同：水是液态还是气态，硫是固态还是气态；②比较反应物的物质的量多少不同；③分析可燃物完全燃烧还是不完全燃烧的不同；④判断反应是放热还是吸热的不同。

4．利用键能计算反应热

例4. SF6是一种优良的绝缘气体，分子结构中只存在S-F键。已知：1molS(s)转化为气态硫原子吸收能量280kJ,断裂1molF-F 、S-F键需吸收的能量分别为160kJ、330kJ。则

S(s)＋3F2(g)=SF6(g)的反应热H为（ ）

A. -1780kJ/mol B. -1220 kJ/mol C.-450 kJ/molD. +430 kJ/mol

解析：B 化学反应断键需要吸热，形成新的化学键需要放热。1mol S(s)和3molF2(g)形成S原子和F原子共需吸收能量280kJ+3×160kJ＝760 kJ。而生成1mol SF6(g)时需形成6molS-F键，共放出6×330kJ=1980 kJ，因此该反应共放出的热量为1980 kJ-760 kJ＝1220kJ,所以该反应的反应热H＝-1220 kJ/mol，B正确。

方法规律：（1）利用反应物与生成的总能量进行计算H＝∑E(生成物)－∑E(反应物)，其中∑E表示物质具有的总能量。

（2）利用断键所吸收的能量和成键所放出的能量的相对大小进行计算H＝反应物断键所吸收的总能量(Q吸)－形成新的化学键所放出的总能量(Q放)。

5．利用盖斯定律计算反应热

例5.已知：（1）2Zn（s）+O2（g）=2ZnO（s）H1=-701.0kJ•mol-1

（2）2Hg（l）+O2（g）=2HgO（s）H2=-181.6kJ•mol-1

则反应Zn（s）+ HgO（s）=ZnO（s）+ Hg（l）的H为（）

A. +519.4kJ•mol-1B. +259.7 kJ•mol-1C. -259.7 kJ•mol-1D. -519.4kJ•mol-1

解析：C 【（1）-（2）】/2得：Zn（s）+ HgO（s）=ZnO（s）+ Hg（l），反应的焓值由盖斯定律直接求出。即(H1-H2)/2=-259.7 kJ•mol-1。

方法规律：（运用盖斯定律的技巧：参照目标热化学方程式设计合理的反应途径，对原热化学方程式进行恰当“变形”（反写、乘除某一个数），然后方程式之间进行“加减”，从而得出求算目标热化学方程式反应热H的关系式。具体方法：①热化学方程式乘以某一个数时，反应热也必须乘上该数；②热化学方程式“加减”时，反应热也随之“加减”。

6．考查H与活化能的关系

例6.某反应的H=+100kJ•mol-1，下列有关该反应的叙述正确的是（）

A.正反应活化能小于100kJ•mol-1 B.逆反应活化能一定小于100kJ•mol-1

C.正反应活化能不小于100kJ•mol-1 D.正反应活化能比逆反应活化能大100kJ•mol-1

解析：在可逆反应过程中活化能有正反应和逆反应两种，焓与活化能的关系是H=Σ（反应物）-Σ（生成物）。题中焓为正值，过程如右图，所以CD正确。

热化学方程式篇3

将气体从低压压缩到所需要的高压需要压缩机，常见的“乙烯三机”(裂解气压缩机、丙烯压缩机和乙烯压缩机)就属于大型离心式压缩机，是乙烯装置的耗能大户。除了离心式压缩机，往复式压缩机也在石油化工生产过程中有着广泛的应用。尽管离心式压缩机和往复式压缩机因工作原理不同节能方式存在差异，但从有效能分析的观点看，压缩过程的有效能损失主要是非等温压缩的不可逆性引起的。因此，压缩机节能的关键是改变压缩机的结构，采用多级压缩，级间冷却，使整个压缩过程向等温压缩过程趋近，减少有效能损失。例如，乙烯裂解气压缩机通常设计成四段或五段。离心式压缩机的能量损失方式有流动损失、冲击损失、轮阻损失和漏气损失等，对离心式压缩机的操作与设计改进是增产节能的主要措施之一。例如：提高吸入压力，降低吸入温度，增加流量，提高转速；增加叶轮扩压器的通流宽度，降低叶轮轮阻损失，改变叶轮叶片和扩压器叶片的几何安装角度等。对于往复式压缩机，通过减小压缩过程的不可逆性实现节能的主要方法有：合理的选择压缩比，增加压缩机段数，提高吸入压力，降低出口压力，降低压缩机入口气体的温度，减小段间阻力降，尽量取消压缩机前后不必要的阀件和弯头等。

2热量传递与节能

热量传递过程可以分为导热传热、对流传热和辐射传热三种基本方式，它们有各自不同的传热规律，石油化工生产过程中的传热通常是几种传热方式的组合。强化传热的目的就是力求使换热器在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能的多。从传热基本方程Q=KFΔT可以看出，增大传热量Q可以通过增大传热温差ΔT、扩大传热面积F和提高传热系数K三种途径来实现。(1)优化平均传热温差。在换热器中冷热流体的流动方式有四种，即顺流、逆流、交叉流、混合流。在冷热流体进出口温度相同时，逆流的平均传热温差ΔT最大，顺流时ΔT最小，因此，为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的传热方式。增加冷热流体的平均传热温差T虽然可以强化传热，但同时也增加了传热过程的不可逆性，增加了传热过程的损失，因此，通过权衡，优化冷热流体的平均传热温差T是节能必须进行的工作。(2)扩大换热面积。增大传热面积以强化传热，并不是简单地通过增大设备体积来扩大传热面积，而是通过传热面结构的改进来增大单位体积内的传热面，从而使得换热器高效而紧凑。如采用小直径的管子，并实行密集布管，采用各种形状的翅片管来增加传热面积。一些新型的紧凑式换热器，如板式换热器和板翅式换热器，同管壳式换热器相比，在单位体积内可布置的换热面积要大得多。对于高温、高压工况一般都采用简单的扩展表面，如普通翅片管、销钉管、鳍片管，虽然它们扩展的程度不如板式结构高，但效果仍然是显著的。(3)提高传热系数K。提高传热系数是增加传热量的重要途径，也是当前强化传热研究工作的重点内容。提高传热系数的方法重点是提高冷热流体与管壁之间的换热系数。尤其要提高管子两侧中换热较差一侧的换热系数，以取得较好的强化传热效果。强化对流传热的措施有[7]：表面粗糙化，提高壁面的表面粗糙度以影响湍流粘性底层的传热；表面加扰动单元，如表面为引发涡流而引入的小翅；管道中加入插件以引发转动；用水射流冷却热表面等。上述各独立措施通常可以组合使用，以取得更好的强化效果。需要注意的是，强化传热的所有措施总要以较高的压力损失和驱动功率为代价。因此，把传热和驱动功率统一到过程的不可逆性上来评价强化传热过程的效果，才能使各种技术具有可比性。

3质量传递与节能

精馏过程是一个典型的分离过程，也一个重要的质量传递过程。根据热力学基本原理可知，不同物流的混合是自发的不可逆过程；反之，要把混合物分离成不同组成的产品时，必须消耗某些形式的外界功或热能。精馏过程中物质在不同相间的转移是在恒温和恒压下进行的，相转移过程的推动力是化学势，化学势在处理相变和化学变化时具有重要意义。精馏过程中，蒸汽以一定压力降通过精馏塔是产生不可逆因素的原因之一。其次是再沸器和冷凝器分别以一定的温差加入和移走热量，更重要的原因是气液两相相互接触或混合时因未达到相平衡而使精馏过程的不可逆程度增大。因此，降低流体流动所产生的压力降，减小传热过程中的温度差，减小传质过程中的浓度差即化学势差，均能使精馏过程中的功耗降低。使损失的减少。精馏塔通常可以采用以下节能措施：(1)在精馏塔的操作方面，应尽可能减小回流比，预热进料，减小再沸器的负荷；应充分利用塔釜液余热，减小再沸器与冷凝器的温差，并通过防垢除垢减小传热热阻等。(2)在精馏塔的结构方面，应尽量采用新型塔盘或新型填料以减少塔的压降。在石油化工生产中，过去板式塔多为泡罩塔，填料塔多用拉西环、鲍尔环。随着塔设备技术的发展，老式的塔板和填料逐渐被淘汰。浮阀、筛板、旋流塔板、波纹穿流塔板被采用。在填料上则选用较先进的阶梯环、扁环、矩鞍形金属环和孔板波纹、格栅等新型填料，为提高产量、减少能耗、安全生产和稳定操作创造了条件。此外，采用设置中间冷凝器和中间再沸器的方法减少塔的有效能损失，这样可以降低塔的操作费用，但却增加了塔的设备折旧费用。

4化学反应与节能

化学反应过程同时受动量传递过程、热量传递过程、质量传递过程以及化学反应的规律支配。化学反应的平衡问题和速率问题是互相关联的，可以从反应速率导出化学平衡，但却不能从化学平衡导出反应速率，因此化学反应动力学比化学反应热力学更为基础。热力学仅是给出了化学反应的可能性，要实现这种可能性还必须从动力学的角度研究化学反应的速率及相关影响因素。化学反应进行时，大多数情况下都伴有热量的吸入或放出。如何有效地供给或利用反应热是化学反应过程节能的重要方面。对于吸热反应，应合理供热。吸热反应的温度应尽可能低，以便采用过程余热或汽轮机抽汽供热，节省高品质的燃料。对于放热反应，应合理利用反应热。放热反应的温度应尽可能高，以回收较高的品质的热量。例如，利用乙烯装置裂解气急冷锅炉产生的8~14MPa的高压蒸汽驱动汽轮机，可使每吨乙烯消耗的电力由2000~3000kW/h降到50~l00kW/h，大大提高了乙烯装置的经济性。不论是吸热反应还是放热反应，均应尽量减少惰性稀释组分。因为对吸热反应，惰性组分要多吸收外加热量；而对放热反应，要多消耗反应热。化学反应器是进行化学反应的重要设备。绝大多数反应过程都伴随有流体流动、传热和传质等过程，每种过程都有阻力，都需要消耗能量。所以，改进反应装置，减少阻力，就可降低能耗。

反应设备的选型应满足如下基本要求：(1)反应器内要有良好的传质和传热条件；(2)建立合适的浓度、温度分布体系；(3)对于强放热或吸热反应要保证足够的传热速度和可靠的热稳定性；(4)根据操作温度、压力和介质的耐腐蚀性能，要求设备具有材料稳定、型式好、结构可靠、机械强度高、耐腐蚀能力强等特点。例如，凯洛格(Kellogg)公司为减少合成氨催化剂床层压力降、提高单程转化率以及简化设备结构，开发了激冷型卧式反应器。催化剂呈水平板状，反应气体垂直通过催剂床层，反应器压力损失明显下降。文献较为全面、系统地讨论了各种化学反应器，特别是新型化学反应器在节能降耗中的作用。催化剂的选取则是另一个决定物耗和能耗水平的关键因素。由阿勒尼乌斯(Arrhenius)方程可知，化学反应速率与反应温度成正比，与反应活化能成反比，与指前因子，即碰撞因子成正比。所以，选择合适的催化剂至关重要。例如，意大利蒙特爱迪生公司与日本三井石油化学公司共同开发的丙烯聚合反应高效催化剂，与以前采用的齐格勒(Ziegler)型催化剂相比，生产强度提高了7~10倍，并省掉了脱灰工序，原料、蒸汽、电力等消耗均显著下降。

5结语

本文重点讨论了传递过程原理以及化学反应工程与石油化工节能的关系。特别是从减小动量传递、热量传递、质量传递和化学反应过程的不可逆性，减小过程的有用功损失，减小过程的有效能损失出发，探讨了反应设备、分离设备、换热设备和流体输送设备的节能途径和改进设备设计的方法。根据化学工程的基本理论所获得的节能途径是多种多样的，节能效果也各不相同，但最终的评价则取决于经济效益。多数情况下，采用节能技术均会减少操作费用，但设备费用可能会增加，所以最大限度节能不一定是最经济的。此外，节能措施还往往使操作变得复杂，要求较高的控制水平，这是在应用节能技术时不容忽视的现实问题，必须综合权衡，优选最佳方案。

热化学方程式篇4

关键词：热效应；焓变；热化学方程式；盖斯定律；实验测定

文章编号：1008-0546（2015）10-0053-07 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2015.10.019

一、 教学背景

作为一名中学化学教师，教给学生真实的、科学的、较为全面的化学知识，应当是最起码的要求。高中化学，有一些知识本身比较复杂，如果教师缺乏研究，将知识简单化、绝对化，那么带给学生的将会是伪科学，会让学生混淆了化学的本质，曲解了化学的内涵，丢失了化学的精神。长此以往，习得的化学知识对学生没有任何帮助，更别指望学生今后能推动化学学科的发展。

“化学反应中的热效应”是苏教版《化学反应原理》中第一章第一单元的内容。这部分内容属于热化学范畴的知识，后者是物理化学中的一个小分支。由于教材、各种教辅资料和教师本身的原因，笔者发现学生在学习后，理解上存在一些缺陷：①焓变就是热量，焓变小于零，就说明反应放热，反之吸热；②焓变可以通过化学键能计算出精确值，实验测定的中和热误差较大；③除了焓变、热效应、盖斯定律几个空洞零散的术语外，剩下的就只有对热化学方程式反复操练的印象，这是教师在占用学生大量时间和精力后换来的“成果”。

焓变就是指热量吗？只要翻阅大学教材，就会发现焓变只在恒温恒压下才能反映出一个化学反应的热量变化，它的物理意义与热量相差甚远。我们说“两条不平行的直线一定有交点”，这是需要条件的，前提是在“同一个平面”内。使用大部分的数学定律都离不开条件限制。物理化学本来就是建立在复杂的数学和物理定律基础上，所以在使用各种结论时也就离不开条件的限制，若忽略了这些条件，知识就片面化了。用焓变来表征热量是在限定条件下，并且由此延伸出来的一些公式或定律亦是有条件的，如吉布斯自由能公式的使用。还必须指出的是，这里的焓变是指在恒温恒压下的反应热，若是恒温恒容下的反应热还不等于焓变呢（等于体系热力学能的变化）。我们高中的中和热实验测定条件可以看成是恒温恒压，而大学里的量热计测定则是恒温恒容的条件。

大部分教师在关于焓变计算的教学时，能够把公式讲得头头是道，而且利用化学键能计算焓变的习题日日充斥于市，这无形中放大了理论计算法的意义，让学生不对它根深蒂固都难。但学生在不断熟练这些计算题的过程中，并没有对化学键能与焓变的关系更清晰，反而是加深了“化学键能可以获得焓变精确值”的误会。再加上类似于中和热实验的误差分析题，且不说出现频率高，还有很多时候是一些不接地气的实验数据，误差离谱。这些都时刻“提醒”学生通过实验测定得到的数据不靠谱。教师在教学中也未澄清实验存在误差的必然性与合理性，让学生更加不信任实验测定结果，转而坚信通过计算获得焓变才是正道。事实上，无论是哪本大学教材，在说明用化学键能来计算焓变时，都有斗大的两个字注明――“估算”。我们且不说化学键能的数据本身就不是精确值，根据过渡态理论，我们也可以作出判断，有些反应并没有完全断键，而是经由过渡态就直接转变成产物。如若用化学键能代入计算，岂不乱套？高中教材在阐述氢气与氧气反应生成水时，图像中描绘出断键和成键的过程，但我们不能误以为这一规律是放之四海而皆准的，那就以偏概全了。化学本来就是不完全归纳的，它是以实验为基础的学科。当初热化学的建立就是在实验测量的基础上。在布拉格和拉瓦锡等人测定化学反应热时，碰撞理论都还未公布于世呢。科学家们先是测定获得了各种反应的热效应，为了解释这些现象，再利用数学、物理定律进行分析归纳而发展演变成如今的热化学。包括盖斯定量的建立亦是如此。并且盖斯定律只有经科学研究验证其正确后，才能得以应用。化学教学中，如果过分强调理论而忽视实验，那只会黑白颠倒，是非混淆，而且从某种层次上说，是摈弃人类文化精髓的一种行为。

“化学反应中热量变化”这一节内容要留给学生的难道就只有热化学方程式的那点操练吗？盖斯定律的学习纯粹只是为了组合拼凑再单纯计算吗？围绕着这些所谓考点，展开争分夺秒的强化训练，结果是学生记住了书写和计算规则，但牺牲了学科思想，丢弃了学科素养，扼杀了学习兴趣。纵使一个学生能熟练书写运算，却没有真正理解与人类社会发展息息相关的反应热的意义，也不会解决与反应热有关的实际问题，即使他把热化学方程式倒背如流，又有何意义？这种在狭窄园地里的“精耕细作”，是禁锢学生思想的樊篱，会阻碍学生学会学习，是迫使学科教育走向死胡同的元凶。

热化学方程式的真正意义何在？它仅仅是一种化学符号，是为了表征反应过程能量变化的式子，它背后的反应热才是人类真正关注的焦点。人类从远古时期开始就利用火来获取能量，在漫长的进化过程中，随着人类的不懈努力，人们认识到化学运动与热运动之间的转化规律，烧柴取暖、制陶冶金就是对它的早期应用。在这之后人类进一步掌握了越来越多的能源使用，并着手探究反应的本质，初步尝试建立一些合理的结论，不断接近现象背后的本质原因。而热化学方程式只是在这个过程中出现的一种符号，是科学家为了表达某些科学结论而建立的一种隶属于化学的语言，它凝结着人类智慧的结晶。化学变化永远与能量相伴，没有能量的核算，化学不可能有实际价值。我们透过热化学方程式，可以更科学合理地利用资源，更有效准确地预算一些反应的热效应。这样来认识热化学方程式，才是回归化学学科的本来面目和逻辑线索，才是真正培养学生的学科思想和学科能力。

综上所述，在反应热教学中普遍存在一些问题。如何才能科学、真实、较为全面地进行“化学反应中的热效应”教学呢？笔者认为，教师需要站在历史的天空下、时代的背景中，宏观条理地把握知识线索、严谨妥善地处理关键细节，系统完整地建构起知识网络。事实上，本节课需要浓墨重彩的就三个问题：反应热的测定；热化学方程式的分析；热效应的本质原因。笔者尝试从历史发展的视角解读本节课，让“热化学”沿着历史的足迹，从远古时期走来，步入今日社会，让一些事件和概念逐渐显现，逐渐清晰、逐渐延伸，也让“反应热”沿着学生的生涯，继续迈向未来。

二、教学思路

环节一：人类征服自然的历史篇章

人类社会最早使用的自然力就是火。一般认为，人类学会用火是化学史的开端。火是物质燃烧时表现出来的一种化学现象，是物质发生激烈氧化的一种化学运动。在原子能出现之前，物质的燃烧一直是人们获取能量的基本途径。火还为实现一系列化学变化提供了条件，比如，古代人类就发现用火可以窑制出陶瓷、玻璃等，还可以在炭火中“烧烤”出各种金属。所以，火除了是人类征服自然的手段外，还是促进化学学科发展的渠道。

但在化学成为一门独立的学科之前，人们的研究更多地局限于那些天然能够获得的物质。对于古人来说，炭和硫磺是自然界存在的仅有的两种固态非金属单质，所以黑火药较早就走进华夏文化圈也是情理之中。火药的爆炸释放出大量的热，可用于炸石开山。它的发明使人类在征服自然的过程中有了全新的手段，它在某种意义上还促进了人类对获取能量的探索，加快了寻找其他能源的步伐。这些其实就是热化学的早期状态。在近代，热化学的研究对象，仍然是围绕着一些常见易得的燃料。当今世界，化学反应释放的热量依旧是日常生活和工农业生产所需要能量的主要来源，这使热化学的发展动态始终离不开人们关注的视线。

由于生产的进步，人类社会对能源的需求日益增加，于是在十八世纪初有了类似蒸汽机的机械。为了提高热机的使用效率，科学家积极投入能量转换规律的研究，于是以热力学第一定律和第二定律为基础的化学热力学建立和发展起来了。把热力学第一定律具体应用到化学反应上，讨论和计算化学反应的热量变化问题，便是热化学。热力学第一定律的建立及相关讨论最初是在生物学领域，是关于化学能与热能的转化。拉瓦锡就曾说过：动物呼吸所产生的热与CO2之间的比例大致与蜡烛燃烧过程中产生的热与CO2之间的比例是相当的。李比希说：动物的发热与机械活动从根本上说都来源于食物的燃烧。这两位化学家不仅在超前地应用热力学第一定律，而且事实上已经开始了关于热化学问题的思考。随着人类社会越来越依赖能源，人们也逐步开始着手关于化学反应的一些本质问题的研究：为什么火能促进一些反应的发生？为什么有些反应释放能量，有些反应却是吸收能量？能量的多少与什么有关？能量从何而来，又去之何方？

以上谈论的内容其实就是本节课的价值所在。有重大意义才会有学习的必要性和内驱力。事实上，让学生适当多了解一部分资料，本质上是有利于学生接受新知的。这符合“有意义学习”理论。奥苏贝尔认为，“通常，由于概念自身有其赖以形成的途径，所以不可避免的是，要习得特定的概念，就需要有丰富的相关经验背景。”所以，学生的视野扩大了，背景经验丰富了，认知结构也会得到相应优化，接受能力、解决能力、创新能力都会提高，对新知的接受和整合也就更容易更有效。

接下来需要整理几个概念：

（1）能量：做功或使之发生的能力。能量的形式很多，熟悉的有热能、光能、声能、电能；另外还有化学能、核能、势能和动能。这些能可以从一种形式转化成另一种形式。比如，燃料在氧化反应中就可以将化学能转化成热能、机械能或者其他能。化学反应中的能量变化并不等同于化学反应中热量的变化，它同时还可以转化成其他形式的能量。

（2）化学热力学：是专门研究能量相互转变过程中所遵循法则的一门科学。它的主要基础是热力学第一定律和热力学第二定律。

（3）热化学：研究化学变化中与热效应有关的规律或者说利用热力学定律研究化学反应中热量变化问题的学科。

（4）反应热：在无非体积功的体系中，反应物与生成物温度相同时，一个化学反应的热量变化。当体系是恒容时，反应热数值上等于热力学能的变化；当体系是恒压时，反应热值即为焓变。

（5）焓变：在无非体积功的体系中，恒温恒压条件下，反应过程吸收或释放的热量。由于我们的反应体系通常是在恒压条件下进行的，故我们讨论更多的是恒压反应热。所以没有特殊说明，反应热通常指焓变。

教师自身需要深入分析和整理上述概念的内涵及外延，才能高屋建瓴地组织教学。上述概念其实并不难，学生在物理或生物学科中或多或少都有所涉及。所以，再从化学视角去阐述这些概念是有必要的。高二的学生有能力从多角度、多层次、全方位地去理解这些概念，促成不同学科知识的融会贯通和自身知识结构的优化提升。在这里虽然无需向学生具体交代焓变的复杂由来过程，但至少应让学生知道焓变不等同于热量，它只是在某种条件下能反映出热量变化。焓变与热量的关系，其实以前类似的例子我们学过，摩尔质量和相对原子量。

背景和大概念的轮廓已基本形成，接下来就需要深入细节分析。先是反应热的测定。从化学发展史看，热化学研究是从实验测量开始的。热的量度最早开始于布拉克和他学生。1756年，他们测定了水的汽化能。拉瓦锡和拉普拉斯可以说是测定化学反应热的开创者。他们在1783年共同测定并发表了炭的燃烧热，相当于

-431.59kJ・mol-1，而现代的精确值是-393.51 kJ・mol-1，在当时的条件下，他们的工作应该说是相当出色的。1836年，盖斯研究测定了大量化学反应的热效应，提出了“总能量恒定定律”，该定律于1840年才公布于世。1881年巴黎的化学家贝特罗发明了一种弹式量热计，精确测定了一系列有机化合物的燃烧热。这种量热计一直沿用至今。事实上，任何化学定律的第一手材料本质上都是实验数据，实验是隶属于化学学科的语言。人类总是先认识到一些自然现象，定性地感受它表观的变化，再深入思考变化的规律，这就上升到定量阶段。于是各种科学实验和科学定律就相应产生了。反应热的教学也可以从实验测量开始。

教学中带领学生沿着科学家的路线，研究测定一番反应热。本节课要测定的是中和反应的热效应。这是一个简易的量热装置，内外有两个烧杯，中间填充了隔热材料，并配有温度计和环形搅拌器。加入反应物，通过测定反应前后温度差，就能获得过程中的热量变化。需要作个近似处理，假设混合后溶液体积为起始两种溶液的加和，混合溶液的密度和比热容约等于纯水（这是实验误差来源的一部分，也说明了误差存在的合理性），那么只要准确测定前后温度差，就可以代入公式（Q=mcΔt）获得热量变化。整个反应装置是处在恒压条件下，故我们测出的反应热便是焓变值。如果反应体系为强酸、强碱，且无需考虑其他热效应，那么反应生成1摩尔水所对应的焓变便是中和热。如果体系生成的是2摩尔水，中和热如何计算？简单，ΔH=Q/2。再如果是0.2摩尔的水呢？同理，ΔH=Q/0.2。这样，我们很容易得出：ΔH= mcΔt/n。公式和计算其实都很熟悉，并不难，根本不需要煞有介事地去进行所谓探究，更不需要故弄玄虚去设置一些无厘头的数据，无端增加计算难度。这些都只是在钻研形式，而不是内容。形式只是芍药，内容才是牡丹。量热实验的关键是要讲清楚实验目的和操作，才有化学味。那么中和热实验的目的是什么？是为了测定反应热。获得热量的直接数据是什么？是温度。那么，如何保存热量以及合理准确地记录始末温度就成了核心问题。围绕这个问题，学生在实验过程中，就会有意识地观察实验装置并思考自己的一系列操作对实验结果的影响，于是各种误差分析便水到渠成了。当学生不断分析自己的操作失误以及相应误差时，严谨细致的实验态度和实事求是的科学精神便会植入到他们的头脑中。这样的教学才是润物细无声地在传递善于观察、善于思考的习惯。学习本来就应该像呼吸一样自然。笔者在这里还建议教材增加测定其他反应热的实验，较好的素材有“食品热量的测定”，可以利用易拉罐来测定核桃、糖果等食品的燃烧热，以调动学生的生活经验和学习兴趣。

环节二：当代社会的知识财富和自然资源

漫长的人类历史发展留给我们当今社会的是什么呢？无限的知识财富和有限的自然资源。我们当今教育需要传承什么？批判地继承知识与合理地利用资源。以“热化学方程式”的教学为例，我们需要看到它的来龙去脉。教学可以从热化学方程式的产生开始。

除了上述提到的中和热，科学家还测定了许多反应热的数据，比如有燃烧热，还有物质的生成热、溶解热、离子生成热。下表罗列的是一些物质的燃烧热。

从表格中可以看出，燃烧热是在25℃、101kPa时的焓变，是1摩尔燃料完全燃烧释放出的热量。什么是完全燃烧？那自然是指碳要烧成二氧化碳，而不是一氧化碳。追求完全燃烧，是人类能够充分有效使用地球上有限资源的手段。当然不同的凝聚态，对应的能量不同，燃烧热通常是对应稳定的生成物，如，生成液态水比气态水释放的热量就要多，所以标明物质状态也就成为必然要求。我们会发现不同的物质燃烧热是不同的，这样我们就有必要去区别表征，这可以为比较谁更经济实惠提供参考。化学学科的特色本来就是宏观看现象，微观找原因，符号去表征。结合必修二的学习，以H2和CO为例，它们的燃烧热方程式为：

H2（g）+1/2O2（g）[=]H2O（l） ΔH=-285.8 kJ・mol-1

CO（g）+O2（g）[=]CO2 （g） ΔH=-283.0 kJ・mol-1

解读这两条热化学方程式，会发现二者的燃烧热比较接近。但是如果按照单位质量来换算燃料的热量，那氢气显然要大得多，约为后者的14倍。单位质量的物质完全燃烧所释放的热量便是热值。对于气体来说，我们考虑更多的是体积或者说物质的量，西气东输时我们主要考虑气态燃料的燃烧热。若是液态或固态燃料，我们还会关注它们的热值。常说流的是油，堆的是煤。石油的热值约为48kJ・g-1，煤炭（分烟煤和无烟煤）的热值约为33kJ・g-1。下表列出了一些常见燃料的热值。另外，很多食品包装袋上都标明了食品的热量。其中，在人体所需的三种主要营养物质中脂肪的热值是最高的。

热化学是从宏观角度研究能量变化，那么它的符号，热化学方程式，肯定也是从宏观角度说明反应热，这是它与化学方程式的不同之处。热化学方程式中的微粒基本单元数是NA，那么自然允许计量数以分数形式出现，如1/2O2，代表的是1/2mol O2。还要说明的是，热化学方程式中的计量数代表的是反应物的特定组合，比如，下面两条热化学方程式：

H2（g）+1/2O2（g）[=]H2O（l） ΔH=-285.8 kJ・mol-1

2H2（g）+O2（g）[=]2H2O（l） ΔH= -571.6 kJ・mol-1

第一条表示的是按照1mol氢气和1/2 mol氧气的比例进行反应，而第二条的单元组合是2mol氢气和1mol氧气。既然是不同量的反应物，那么反应热肯定是不同的，热化学方程式中的焓变也就要发生变化。第一条对应的焓变为-285.6 kJ・mol-1，当反应物的单元组合变成两倍时，第二条的焓变肯定也就是其两倍。至于焓变的单位，是不会改变的，这跟其他物理量的单位是一样的。如，长度的单位：米，并不会因为长度数值的变化而变化。焓变的单位最初规定为kJ・mol-1，表示摩尔反应的热值。

为什么要交代这些？我相信许多教师在讲解热化学方程式含义的时候，都被学生逼问过：1mol燃料的焓变是kJ・mol-1，2mol还是kJ・mol-1。系数和数值分明都在变，怎么意义看起来还是千焦每摩尔？所以，在教学中，如果仅仅告诉学生焓变与系数成正比、系数可以是分数、状态一定要标明，而没讲清楚这其中的缘由，那是无法消除学生心中的疑问的，也无法让学生对知识产生信任感。这种简单告知，只会是白开水一杯，淡而无味。

热化学方程式的第三层含义便是用来计算一些难以测定反应的焓变，这也是盖斯定律的应用。焓变跟“位移”有点类似，只与始末态有关，而与具体途径无关。我们知道，并不是所有化学变化的热效应都能够用实验来测定。有的反应进行太慢，需要时间太长，显然会由于热量散失而使实验值不准确。有些反应难以进行或者难以进行到底，那就无法测得反应的真实焓变。借助盖斯定律，可以从一些已知的反应热间接求得未知反应的焓变。当然，人类研究反应热的意义本身是为了获得一些常见的、有价值的反应的热效应，所以利用盖斯定律去解决的肯定也是针对一些有实际意义或者应用前景的化学反应，这才会让知识产生新的价值。如果是为了使用盖斯定律而去研究一些低档次的编造痕迹毕露的考题，那么盖斯定律也就失去它的价值了。当然除了能用盖斯定律来计算外，还可以通过已知物质的摩尔生成热、溶解热等来计算一些反应的焓变。

在化学热力学蓬勃发展的同时，化学动力学也逐步兴起。化学热力学是从宏观上研究化学过程的始末状态，它不关注过程，也不考虑时间因素。与之相反，化学动力学则研究具体过程的影响因素和实际进程。借助化学动力学可以解释热力学的一些问题，如，为什么反应过程中会有能量的变化。随着“碰撞理论”、“过渡态”的提出，人们总结出化学反应的本质是旧键的断裂和新键的生成。科学家尝试用这一理论来揭示反应热的本质。下面以2H2（g）+O2（g）[=]2H2O（l） ΔH=-571.6 kJ・mol-1为例，进行说明。

图1再次给学生呈现了不同状态的物质对应不同焓变的情形。在必修二中我们介绍过，H2、O2吸收了热量变成了H、O，这是断键过程，而H和O又生成了新键，这是释放能量的过程。整个反应吸收与释放能量的差值便是焓变。如果我们用键能数据，则可以估算过程的反应热。《化学反应原理》的教材里还举了一个例子，1mol N2（g）与1mol O2（g）生成2mol NO（g）时吸收182.6kJ的热量。利用键能代入计算，分析结果与实验测定结果很接近，这验证了化学反应中化学键的断裂和形成是反应过程中有能量变化的本质原因。

为什么是估算？先来看化学键能的含义。在热力学中，键能是指打断各种气态化合物中同一种键生成气态原子所需能量的平均值。不同化合物中，同一化学键的键能未必相同。如，水中和乙醇中的O-H键的键能就不相等，而且反应物及生成物的状态也未必能满足定义键能的条件。因而由键能求得的反应热不能代替精确的热力学计算和实验的测量值。同时我们还要避免上述理论的绝对化，并不是所有反应的焓变都适合于套用键能公式。

由图1也可以看到，反应释放的热量大于反应吸收的热量，这使反应总结果是放热的。可以借用下面方程式形象地说明：

2H2（g）+O2（g）+少量能量――2H2O（l）+大量能量

刚开始外界提供的总能量是使部分H2和O2的共价键断裂，H、O再结合成H2O时会释放出大量能量，此能量足够断裂剩余H2和O2的共价键，整个过程净能量以热量的形式释放出来。反过来，思考它的逆过程，则为吸热反应。所有的吸热反应，都以净能量的吸收为判断依据。以碳酸钙的分解为例，只要提供热量，此化合物不断分解，一旦移除热源，反应立即停止，该反应需要净热量，或者说生成新键释放的能量不足以供断键所用。

从图1中我们还可以得到热化学方程式的第四层含义：生成物与反应物的能量差即为焓变，这也是反应存在热效应的根本原因。若一个反应从能量高的物质变成能量低的，则是放热反应，这样的反应往往比较容易自发进行，因为它符合“能量最低”原则。如，金属钠和氯气单质，都具有高能量，二者会剧烈反应，并且转变成两种低能量的稳定态离子。

一个反应的焓变与开启该反应的引发能量和反应速率是否有关？若要讲清楚这个问题，就要牵涉到活化能，要利用化学动力学理论来揭示热化学现象。但有些教师认为，活化能是后面章节的学习内容，在此无需交代或者只需简单提及即可。这样教学反而囫囵吞枣，不清不楚。笔者认为，既然已经涉及到并且有必要，不如把它“揪”出来，好好认识一下。事实上，将活化能整合到这里，更能体现完整的学科思想。学生听起来也会更舒畅，更通透。所以，教学有些时候改下剧本，可以让学生有更好的学习体验。

图2是反应过程能量升高和降低的变化轨迹。上升的曲线代表的是开启一个反应所需的能量，称为活化能（E1）。反应物只有具备了这个能量，才可以继续发生后面的断键变化。下降的曲线表示的是生成新的化合物所释放出的能量。显然，逆反应也需要活化能（E1），而且对于放热反应，它要大于正反应的活化能。这样要引发逆反应就需要更多的能量。无论反应是吸热还是放热，引发反应都需要活化能。如果一个反应的活化能低，该反应就比较容易进行，如氢气和氧气只需提供极少的能量，如一个小火星，反应就能持续进行。有时候反应的活化能很低，甚至不需要加热或点燃条件就能发生，并且速率一般都较快，如中和反应。而若活化能高，那么促发反应就需要借助一定的条件，并且若反应释放的热量不足以弥补活化能，则反应就需要持续加热，即为吸热反应，且该反应的速率相应会慢。所以，活化能本质上关系到反应的热效应和反应速率。

活化能与整个人类的生存发展也是息息相关的。我们知道自然界中存在着许多天然的能源，如石油和天然气，它们是由几百万年前的植物和其他有机物转化而来的。这些化石燃料在燃烧过程中可以释放出大量的热。然而，化石燃料不会自动燃烧，通常需要外加能量才能发生。促使燃料发生燃烧的最低能量正是活化能。所以，活化能实质上是自然界为保护地球上有限能源所设定的密码。如今已被人类所破译，解码就是：点燃。但是，在人类打开通往巨大能量大门的同时，也亲手开启了地下的魔盒：各种化石能源逐渐面临枯竭，环境污染日益加剧，地球正在经受前所未有的严峻挑战。活化能还赋予了我们科学对待化学物质的智慧。如，一些物质发生燃烧反应的活化能低，我们就要注意防范火灾，控制它的保存条件；若活化能很高，且熔沸点也高，该物质有望成为耐火材料。

当认识到活化能高会导致反应速率较慢时，人类开始思考如何提高反应速率，这就开始了寻找催化剂的漫长历程。催化剂改变反应速率的机理可以用下图来表示。

由图3可以看出，催化剂是通过降低活化能，达到加快反应速率的目的。所以，催化剂是反应物走向目标的向导，本来反应过程有一座或多座高山要爬，催化剂在迷津处摆渡一条近道或一道缓坡便将反应物以最快速度送到了山的那边。在图3中还可以发现，催化剂并没有改变反应的焓变，因为反应物与生成物的能量差并未受到影响。

当然，学生在后续学习时将会更深入地认识活化能和催化剂影响反应速率的机理，而且将会知道活化能实际上小于化学键能。但在这里，我们提前请出活化能和催化剂，为的是让学生更好地看清反应热的全貌，建构起完整的学科体系。理论上说，概念多了容易嚼不烂，但实质上是没有抓住“魂”，是没有形成完整的学科思想。只有形成了完整的学科思想体系，学生才能居高临下，在把握住主流的同时，分清每个支流的走向，梳理出它们彼此之间的相互联系，从而豁然开朗，触类旁通。

环节三：未来的能源问题

除了《化学反应原理》和《必修2》外，在高中化学中，还有许多地方涉及到热化学的内容。在学习《必修1》的元素化合物时，我们常常在描述实验现象时会说：……，放出大量的热，……；在《有机化学基础》中，我们借助“氢化能”来说明苯分子结构的稳定性；在《物质结构与性质》中，我们接触到了电离能、键能，这些数据都与热化学密切相关；在《化学与技术》中，我们会面临吸放热两种不同类型反应的热交换问题；在《实验化学》中，我们感受到了铝热反应释放出的大量热及其应用；在生物化学中，学生懂得了人体通过不断摄入物质获取能量，同时又释放能量，维持恒温；在用物理思维分析化学能源时，学生将会认识到物质不同凝聚态对应能量的定量关系，也会进一步理解热和运动只不过是同一种物质的不同表现形式，故能量转化始终是守恒的。教师引导学生梳理这些知识，能够帮助学生建立起“大化学”的概念。

根据能量守恒定律，燃料通过燃烧反应将化学能等量地转变成热能或者其他形式的能。既然是守恒的，那我们为什么还要提倡节约能源呢？因为不同的能量，其品质是不同的。比如，与电能相比，热能的品质就要低一些。将锌放入稀硫酸中，不需要任何条件，它会尽情地释放热量，因为热能是粗放的。但是电能不同，它比较娇贵，需要借助一定装置，才能生成。与化学能相比，热能的形成条件也显得容易多了。储藏着丰富化学能的化石燃料，是需要经历上万年才能形成，而且还与地理环境有关，所以化石燃料在整个地球上的分布是非常不均匀的。而这些化学能一旦启用，将永久性地以废热增加的形式损耗掉了。所以，珍爱能源，低碳生活，从另一角度看，实质上就是尽量减缓地球上能量品质的降低。研究开发清洁而又用之不竭的新能源就成为人类社会重要而又迫切的任务，这也是保证人与自然和谐发展的前提。当学生在后面进一步学习反应的自发性时，将会认识到：原来这些散发的热量既不能回收，也不能重新利用的原因是它们已经增大了环境中分子的随机运动，并增加了这些分子的混乱度，随着环境中混乱度的增大，熵值也变大，环境不能自发地恢复到熵值增加之前的状态。所以，环境混乱度的增大，是能量利用的一个代价。这时候，学生便会恍然大悟，感受到自然学科的无穷魅力和重要价值，此时他们也将会深切地体会到人类生存与自然发展的辩证关系，心中的社会责任感油然而生，这便是整体教育的意义。

当然，反应热这部分内容仍不完善，如，它存在许多反例，可以说是有些零乱、没有“铁律”而言，最多只有“印象”。我们只能在较为杂乱的热效应现象中寻找相对普遍性的规律。比如，我们只能说“绝大多数的化合反应是放热的”。另一方面，反应热中还有一些悬而未决的问题。比如，科学家们已经证实了过渡态物质的存在，那么，这些不经历彻底断键和成键过程的反应又该如何计算其热效应？目前化学键能最多只能算是一个平均值，如何规定条件或统一定义，获得更规范更精确的数值？热化学的这些复杂性体现了化学学科的“年轻”和“高级”，更激励着我们后来者继续不断完善。

三、教学反思

在化学学科成长的道路上，有许多东西因岁月流逝而黯淡了，有些东西却仍然在熠熠生辉，它耀眼的光芒将会永远定格在人类发展史册上，在我们寻寻觅觅，不断探索出路时，为我们照亮前行的方向，这就是学科精神，学科思维、学科观念，也是整个人类文化的瑰宝。我想化学教师除了要讲授化学知识外，还需要传承文化，延续精神。

“问渠哪得清如许，为有源头活水来”。教师只有深谙教学之道，洞悉学科内涵，才能让化学课堂变得和谐美妙。化学课的美要体现在学科知识与文化的水融，要体现在学生充足的想象力与多角度生活经验的调动，要体现在教师专业传道与深刻育人的精彩结合。而这些美也是学生的兴趣所在，它能积淀出学生的素质，且一定能促进“应试”。

参考文献

[1] 张德生.化学史简明教程[M].安徽：中国科学技术大学出版社，2013

[2] 赵匡华.化学通史[M].北京：高等教育出版社，1990

[3] 北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学.无机化学[M].北京：高等教育出版社，2000

[4] 武汉大学，吉林大学.无机化学[M].北京：高等教育出版社，2011

[5] 普利斯著，王祖浩译.化学概念与应用[M].杭州：浙江教育出版社，2013

热化学方程式篇5

关键词：管壳式换热器 清洗 换热管 壳程

中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（c）-0054-02

目前管壳式换热器的结垢清洗一直是困扰企业生产的难题，尤其对壳程（换热管外壁）的清洗，更为困难。污垢沉积物热阻较高，大大降低了传热速率，有时由于污垢的存在使传热面积需增加100%；同时由于污垢减小了流道面积，而造成介质流动阻力增大、动能消耗增加，我国每年由于换热器结垢而造成的损失高达100亿元以上[1-2]。

1 管壳式换热器及壳程清洗方法

1.1 管壳式换热器

管壳式换热器又称列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。作为一种传统的标准换热设备，管壳式换热器具有结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，因此在炼油、化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。目前管壳式换热器包含固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等，应用最多的为前3种。

1.2 管壳式换热器的清洗方法

换热器的清洗方法有化学清洗、机械清洗和高压水喷射清洗。（1）化学清洗：使用化学药品在热交换器内进行循环，以溶解并除去污垢。化学方法清洗费用高，对管束损伤较大，破坏了钝化膜。（2）机械清洗：在疏通机的轴端装上刷子、钻头、刀具等，插入管孔中，使其旋转以除去污垢。此方法不仅适合于直管，而且还可以清洗弯曲管子，但由于机械振动及钻头等对管孔壁的刮伤，故有一定的局限性。（3）高压水喷射清洗：采用50～700 kg/cm2的高压水喷射冲洗污垢[3-10]。对固定管板式换热器的壳程，只能采用化学清洗的方法进行清洗；对浮头式换热器、U型管式换热器等管壳式换热器壳程的清洗，既可采用化学清洗的方法进行清洗，也可采用进行机械清洗。但采用机械清洗或高压水喷射清洗的方法进行壳程清洗时，常常需要大型器械来进行抽芯作业后，方可进行清洗，使得清洗成本非常高。图1是需要清洗换热器的列管，图2是220 t的汽车吊车在对换热器进行抽芯作业。

2 一种可方便壳程清洗的管壳式换热器及壳程清洗方法

2.1 一种可方便壳程清洗的管壳式换热器

一种可方便壳程清洗的管壳式换热 器[11]，由封头、封头法兰、管板、换热管、壳体、喷淋定距管、折流板、排污短接管、支座等组成（见图3）。图中，1为封头、2为管程隔板、3为封头法兰、4为管板、5为换热管、6为壳体、7为喷淋定距管、8为折流板、9为排污短接管、10为支座、11为高压清洗机、12为排污管、13为高压水管，其特征是：a.在壳体底部设计有数个排污短接管，b.用喷淋定距管取代目前技术的定距杆（一物两用）。本技术方案克服了普通管壳换热器壳程难于清洗的难题，对于提高其使用效率、降低清洗维护成本、延长使用寿命具有积极意义，本技术方案可适用于固定管壳式、浮头式、U形管式等各种类型的管壳式换热器。

2.2 壳程清洗方法

在进行壳程清洗时，先将排污短接管的盲板拆下后接上排污管，然后将封头卸下来并清洗管程，再将喷淋定距管的堵头拆下，通入高压水管，即可进行壳程高压水喷射清洗，清洗后的污水经排污短接管排出。还可根据污垢情况，添加合适的清洗剂，清洗后的污水经过滤处理后可循环利用，从而避免了环境的污染和水资源的浪费，见图4。

3 结语

污垢对换热器的危害很大，可严重地降低换热器的传热效率，增加动能损耗，需要积极地预防和定期地清除，清洗的频率须根据使用情况确定。由于目前管壳式换热器的壳程清洗比较困难，因此建议推广使用一种可方便壳程清洗的管壳式换热器，由于其可比较方便地对管壳式换热器的壳程进行清洗，故对于节能降耗、延长设备作用寿命、提高设备安全状况都十有利。

参考文献

[1] 杨善让，徐志明.换热设备的污垢与对策[M].北京：科学出版社，1995.

[2] 陈朝晖，王远成.不结垢换热器初探[J].小氮肥设计技术，2003，24（4）：8.

[3] 李连伟，王旭光，满岱宗.高压水射流清洗丙烯酸酯换热器[J].石油工程建设，1999，4（2）：39-40+62

[4] 梁宗辉，徐衣吉.高压水射流-机械联合清洗方法在换热器中的应用[J].清洗世界，2004（8）：28-30.

[5] 钱伯章.管壳换热器的清洗技术[J].化工炼油机械，1984（1）：63-68.

[6] 林海波，罗玉梅，李建明.换热器的结垢和清洗[J].四川理工学院学报，2006（2）：11-12.

[7] 王胜潮，谢齐.换热器化学清洗系统建立和过程控制[J].化工技术与开发，2010（8）：64-66+63.

[8] 刘明言.换热器污垢及清洗理论及技术新进展[J].化工进展，2009，S2（曾刊）.

[9]杨晓良.换热器清洗技术[J].清洗世界， 2010（6）：14-20.

[10] 张世浩.换热器表面水垢的清洗[J].河南化工，1991，22（7）：24-27.

热化学方程式篇6

关键词：化工热力学；教学方法；教学改革；实践

化工热力学是化学工程与工艺专业一门重要的专业基础课，是化学工程学的一个重要分支。该课程把热力学原理应用于化学工程之中，要求学生掌握根据热力学原理求取化工基础数据和计算热量衡算的计算方法，分析和解决化工生产、工程设计和科学研究中有关的实际问题，为今后学习分离工程等后续课程打下坚实的理论基础[1-2]。通过化工热力学的学习，培养学生在化工生产、设计和科学研究中运用相应的的热力学理论知识[3]，提高分析能力和解决化工实际问题的能力，同时树立工程观念[4]。

1 《化工热力学》课程教学过程中存在的问题

虽然该课程起着承上启下的作用，但在教学过程中发现，学生的学习热情并不高，两级分化严重。学生普遍反映课程概念抽象难懂、推导公式多且复杂、内容杂乱，在实际环境中难以应用。其次是认为化工热力学里的的部分内容与物理化学的内容重复，是浪费时间。由于上述原因导致学习困难，有较大的畏难情绪。

化工热力学课程教学的特点是：内容抽象、逻辑性强、概念严谨、公式推导较难且较多地应用高等数学知识。例如气体逸度的求取，可用三种方法求取，分别是从实验数据、用状态方程和用对应态原理计算，每一类方法下面还可分别采用其它方法，如从实验数据求取下还可采用P-V-T数据和焓熵计算；用状态方程法当选用的状态方程不同时，公式结果不同，结果需要用试差和迭代法反复试算；对应态原理可有对比态双参数法和三参数法。这一部分内容看似不多，实际上是将前面所讲述的实际气体状态方程、逸度概念等相关内容都进行了串联。如果学生对前述知识没有熟练掌握，则会认为公式繁琐、各项内容相关性差，抓不住重点，造成学习困难，产生厌学情绪。导致这种现象的出现，主要是学生认为化工热力学知识与工业实际相差太远，实际中不会出现这样的问题，认为知识理论上的推导，从而失去学习兴趣。

课堂教学的主要任务是培养学生的理论思维能力，采用热力学严谨的逻辑思维方式去分析和解决化学工程中的实际问题，这就要求学生深入了解并掌握有关涉及理想系统的概念和模型，并能够去繁从简地建立实际模型。教师作为课堂教学的主体，主要擅长于理论教学，讲授大量抽象的概念和繁杂的公式，采用的是灌输式教学。从知识传授方向看是知识传授的单方向，缺乏互动。唯一的互动就是课堂提问和课后练习习题。这种方式还是以教师为主导，从理论到理论，被迫学习，激发不起学习的积极性[5-6]。

2 《化工热力学》课程教学改革采取的方法

作为教师，如何改变这种不利的教学状态，使学生能够明白学有所用的道理。就要求授课教师理顺教学思路、优化教学内容、改变授课方式，调动学生学习积极性。由注重基本理论、公式推导，转变为解决工程实际问题和综合素质的培养，转变为强调综合素质的提高、工程实际的训练和解决问题能力的提高。笔者结合多年的教学经验，并借鉴同行教学经验，对化工热力学进行了改革和实践。

2.1 注重绪论

一般情况下教师认为绪论是对整门课程的初步了解，只需要简单介绍发展过程和研究内容即可。但实践中发现学生即使有了初步了解，还是一头雾水，不明白所学的内容与化学工程直接的联系。一个好的绪论内容，可以使学生详细了解化工热力学的发展历程、热力学的体系和学科意义，从整体上把握课程的内容和特点。这就要求授课教师对热力学的发展和典型过程、事件和人物有较清楚的了解，对基础课程与热力学的衔接有深刻的认识，对课程中讲述的内容条理清晰。

在讲授过程中，应充分利用现代多媒体技术，将著名人物、实验过程和工艺流程以图片和动画的形式表现出来，让学生有直观的认识。讲清楚化工热力学的内容不是物理化学等课程的重复，而是在理想模型的基础上不断加入实际因素，不断得到与实际接近的模型，说明理想方程与实际方程的差别。例如实际气体状态方程的获取，首先有理想气体模型，才得到理想气体状态方程，而实际气体不具备理想气体的特性，对理想气体状态方程进行改进，得到范德华方程。状态方程的发展方向是普遍化，基础是对比态定律，又可得到多个如R-K等方程，分别有有各自的优缺点。通过该例子，说明化工热力学课程的研究特点、方法和课程的框架，采用由易到难、由简到繁的思路，理解从纯物质转换到利用混合规则求取混合物的热力学数据。从而让学生将后续的学习重点转移到更接近实际的系统上，明确目的是为解决工厂中的能量利用和平衡问题。此外还应介绍化工热力学研究的三大类：过程进行的可行性分析和能量有效利用、平衡问题和平衡状态下的热力学性质计算，使学生有一个系统总体的认识。

2.2 重视热力学概念教学和思路的引导

化工热力学中重要的基本概念很多，每一个概念都有其严格的定义和适用范围，这些概念对课程的学习极为重要，是推理和演绎的基础。讲清这些概念的背景、内涵和意义，多讲为什么和用途，对于理解化工热力学的基本内容，掌握其精华都极为重要。在教学过程中，对经验或半理论、半经验的公式可采取只讲解不推导的办法，避免重要的概念和从事被大量的推导所掩盖，防止学生本末倒置、眼花缭乱。例如在流体的P-V-T关系一章中，首先讲述三次方方程和多常数状态方程，讲清不同气体的特性可用临界状态参数进行描述，接着可直接讲述Z-pr图中，当pr=1、Tr=1时Z与pr曲线的斜率接近无穷，当pr有微小变化时Z难以准确确定，从而引出另一个比较容易测定的参数—偏心因子ω的概念，再讲述偏心因子的求取，然后顺理成章的直接给出Pitzer提出的三参数对应态方程。这样就使学生不至于感到偏心因子概念的引出过于唐突，认为不过是一个新概念的出现而已，被动吸收。这样可明显提高理论教学的效果，对学生搭建热力学知识框架十分有益。

引导学生思路对于教学效果有重要的影响。如讲解流体混合物的热力学性质时，先说明在实际的化工生产中极少有纯物质，大部分的工作都是在进行性物质的分离，当纯物质中添加摩尔某物质时则引起总体系热力学性质的变化，热力学性质与所添加物质的量的偏摩尔关系就可得到偏摩尔性质，如果计算出偏摩尔性质就可得到溶液的性质M。这样一步一步的深入，由纯物质引入到实际混合物的热力学性质，进而提出偏摩尔性质的计算，使学生感觉到内容的顺理成章，学习思路清晰。当然这样的方式还要在课堂教学中不断地给学生提示，理清思路，加深印象。

2.3结合例题，注重理论联系实际，与工程实际应用相结合

化工热力学是一门理论性很强的学科，如何让学生能够意识到化工热力学可以解决许多工程实际问题，是解决问题的有效工具，这要求教师结合各章节的特点，通过适当的工程应用举例加以说明。通过实例能够使学生加深对所学理论知识的理解消化，学会分析实际问题的方法，为将来在工作中解决问题打下良好的基础。

例如卡诺循环在朗肯循环中的应用。由于学生的工程实际经验少，如果不把二者结合起来讲清楚之间的关系和存在的问题，学生认为这是两个孤立的内容，没有直接关系，而且卡诺循环十分抽象，在工程中没有模型。授课教师应指出在实际中若采用卡诺循环，下述问题无法解决：（1）若在单相区，等温传热无法实现；（2）蒸汽比体积比水大上千倍，压缩的设备体积和功耗过大，生产成本不经济；（3）等熵膨胀末期，蒸汽湿度大，对高速运转的汽轮机不利；（4）在湿蒸汽区上限温度受限于临界温度，热效率不高。如何解决这些问题，可逐步讲解在实际中的改进，然后引出现在蒸汽动力循环所使用的模型—朗肯循环。这样就可帮助学生将抽象的问题转化为实际的问题。

此外，在教学过程中，经常采用的方式是由浅入深、从简单到复杂的处理问题模式[3]。化工热力学中存在着大量从一些简单现象出发，建立理想数据模型，然后对其修正，再解决复杂问题。例如在讲授透平机理想功和损失功的时候，往往只画出透平机的模型，使学生难以有直观的意识。但如果先介绍多种具体设备的内外部和外部结构，分析各部分对简化模型的影响、哪些因素是主要因素、为什么要采用可逆过程的概念，经过简化以后得到模型。理解这些理论和方法的来龙去脉， 使学生能够触类旁通、举一反三地学习其它知识，针对实际设备得到可进行计算并接近实际的模型，从而实现知识传授和能力培养的有机结合，解决“学无所用”的尴尬局面。

2.4 采用讨论启发式教学

在常规课堂教学中教师为主体，学生被动学习，教学效果差。采用讨论启发式教学方式，让学生参与教学过程，调动学生的积极性和主动性，积极思考，发表自己的见解，活跃课堂气氛。通过讨论，可以突出重点和难点，巩固和消化所学习的热力学知识，培养学生应用所学知识对新内容提出问题和见解，并解决问题。鉴于国内学生参与讨论意识差的问题，讨论可采用两种方式，一种是由教师带领学生讨论，教师在授课过程中，不断“抛出”问题，启发学生采用什么样的内容去解决问题。另一种方式还可采用学生在教学内容允许范围内自行设计问题，指定学生分成小组讨论，教师启发指出问题的关键所在，最后将结论进行比较。通过充分的讨论解答问题和教师进行指引、归纳总结，指出问题所在，可使学生从不同角度对自己设计的问题进行分析，最后得出结论。同时教师应根据学生提出的问题和讨论了解其对课程内容的理解和掌握等情况，不断调整思路，灵活改进教学过程中的不足之处，引导学生朝着积极的方向发展。

为了调动学生参与讨论的积极性，对参与讨论的同学和讨论内容正确的同学，应根据不同情况分别在最后考试成绩中占有一定比例，给予奖励。通过讨论启发式教学方式，可加深学生对前后化工热力学基本知识的综合运用，培养学生独立查找问题、分析问题和解决问题的能力。例如对逸度推导过程中，给出适用于理想气体的dGi=RTdlnp（等温），给学生提问如果该式用于真实气体，是否仍然是这种写法，继续使用压力p。引导学生回顾在真实气体状态方程中，p的概念。讨论p在理想气体中是指分子对器壁的撞击力，但对于真实气体由于多分子之间作用力的情况，对器壁的撞击力与理想气体的p肯定不相同，所以采用逸度fi代替压力p，看作是校正压力或有效压力，二者单位相同。通过讨论，学生就会理解为什么对于真实压力要采用逸度的原因，使学生能够很自然地转到逸度的学习内容上去。

2.5 适度引入多媒体教学，提高课堂教学效果

多媒体辅助教学，具有直观、生动、形象和及时的声像效果，能够吸引学生的注意力，将课堂上一些抽象、难以用图或板书形式表现出来的内容以直观地表现出来，激发学生的学习兴趣，获得较为深刻的感性认识，有利于理解和记忆所学内容。同时多媒体辅助教学还减轻了板书工作量，提高了教学效率。所以，许多高校都在大面积推广多媒体教学方式。但在实际应用中发现，多媒体辅助教学也有缺点，主要是房间昏暗和密闭，空气不流畅，学生易瞌睡；由于幻灯片的知识量丰富，画面切换过快导致学生无法及时记笔记，过慢又会影响教师的思路；对于化工热力学中大量的公式推导显得呆板，缺乏灵活性；如果学生课前不预习，课上就像看电影。正因为多媒体有这些不足之处，多媒体教学只能是辅助手段，不能成为教学的主体形式。

根据笔者的教学经验，对化工热力学中流体的P-V-T关系、化工过程能量分析和蒸汽动力循环与制冷循环等与实际生产联系紧密章节，可采用对媒体教学为主体，对气体的状态参数坐标图有很好地表现，用图片和动画形象生动地描述蒸汽动力循环和制冷循环的设备和工艺流程。对纯流体和流体混合物热力学性质、相平衡等大量推导公式的章节，要充分利用板书的灵活性，发挥教师推导公式的强项，在推导过程中根据课堂情况的需要，穿插一些额外的有助于理解或是即兴的内容。灵活地调动学生的积极性，让学生部分参与公式的推导。此时，多媒体是作为辅助教学手段，以弥补如对一些性能图、汽液平衡图等板书无法表现的不足之处。

再者，虽然多媒体课件的使用，能够提高课堂效率，但教师不应该把课件拷贝给学生，可把总结性的课件复制给学生。防止学生课上产生依赖和偷懒行为，课上不记笔记，上课就像看电影，强迫学生手脑并用，加强学习内容的理解和印象。所以，化工热力学应采用多媒体与板书相结合的方式，才能提高课堂教学的灵活性和学生的学习兴趣，更好地理解化工热力学的内容。

2.6 引入科研内容，激发学生学习兴趣

化工热力学课程的理论性和逻辑性比较强，当学生学习了一段时间后，会觉得这些理论无非就是一些推导公式的组合，在实践中难以应用。有些文献提出让学生参与教师科研中，但在实际中发现除非有极个别优秀的学生，领悟能力和自学能力较强，能够很好地深入到课题中，大部分人由于知识背景和个人的因素，仅仅是名义上的参加而已，达不到“学有所用”的目的。并且，就全班整体而言，参与课题的人只能是各别人，达不到以点带动面、大部分人受教育的结果，也达不到化工热力学教学改革的初衷。

故为了提高学生的学习兴趣，在适当的章节学习完后，从教师的科研项目中选择与教学相关内容引入课堂，让学生真正理解和掌握相关知识。例如在我院教师有关无机盐相图的国家自然科学基金项目工作中，选取二元和三元体系相图，结合生产实践，向学生介绍并展开讨论；引入我院超临界流体分离天然产物的研究项目内容，配合流体PVT关系的教学；结合我院教师有关太阳能空调的课题，丰富制冷部分的教学内容等。

2.7 循序渐进，加强外语教学

近些年随着国家经济的不断发展，化工企业在经济发展中占据越来越重要的地位。随着与技术先进国家交往的不断增加，我国科技和化学工程中外来成分越来越多。学生作为未来的科技主力军，在学习和工作中需要不断掌握来自国内外的新知识和新技术，专业英语是交流的主要工具，英语水平和能力对学生未来的发展具有重要的意义[7]。

经过调查发现，现在学生大部分学生都考有国家大学英语四六级证书，但若阅读专业英语文献还是有一定的困难，主要面临的是专业词汇缺乏。虽然在专业后续课程中有专业英语课程，但通过一学期的学习还是达不到满意的教学效果。作为英语的学习，是一个长期积累的过程，需要在平时课程学习中不断接触相应的专业词汇和简短文章，锻炼阅读能力。笔者曾在早期的班级中做过相应的试验，把整个学期大致分为三个时间段，在教学初期不断给出专业词汇的中英文对照，一是学生加强词汇量和加强印象；中期对已给出的词汇只写英文，对新出现的词汇仍然给出中英文对照；末期给出前面相关内容的小短文，并要求学生用英文计算相关的计算题，不断锻炼学生的读写能力。通过练习，学生反映阅读能力提高，在后续学习专业英语课程时能够较快地进行学习。目前在前期的基础上，实行平行班教学制，采取自愿报名的方式，形成汉语和双语两种类型的班级，错时授课，学生可以利用课余互相听课，经过不断的实践，每年报双语教学班的人数不断增加，总体反映效果良好。

但对于双语班，还采用了以下激励措施，鼓励学生更多地优先选择双语班：（1）对学生设立成绩奖励，在学院组织的一些活动中优先选拔；（2）学生成绩有平时成绩和期末成绩综合评定。平时成绩包括作业、提问、讨论发言等，用英语表达的同学视其完成的比例给予不同的奖励；（3）期末考试卷中除有一定难度的概念题用中文表达外，其余均采用英文出题；（3）采用英文答题的学生，根据答题程度的不同，给予奖励分数。

总之，化工热力学作为专业基础课在整个化工类课程体系中起着重要的作用。作为授课教师，只有在平时的教学工作中不断总结经验、开发出新的教学思路，把课程讲活、讲顺、讲精，才能更好地引导和促进学生积极地学习，培养出能力强、素质高、能适应现代化工业生产需要的科技人才。

[参考文献]

[1]冯新，陆小华.以学生为本的化工热力学课程教学改革[J] .化工高等教育， 2006， 87（4） ： 30- 34.

[2]景晓辉，丁欣宇，王树清，高崇. 化工热力学教学改革研究与实践[J] .化工高等教育，2008，1（99）：81-84.

[3]王晋黄，李忠铭，林俊杰.化工热力学课程教学改革与实践[J].化工高等教育，2005，12（4） ： 19- 22.

[4]马沛生.化工热力学[M].北京：化学工业出版社，2005， 42- 251.

[5]李英玲.化工热力学教学的实践与体会[J].高教论坛，2009，4（4）：79-81.

[6]李兴扬，唐定兴，沈凤翠，胡章文.化工热力学教学改革与体验[J].化工高等教育，2011，3（119） ： 71-73.

热化学方程式篇7

1钢铁工业主要余热利用方式与技术

图中实线为余热，虚线为余能，点划线为理论上可以利用但尚未实现商业化应用或尚未普遍采用的回收方式。其中，同一余热出口有多条分支的表示有多种利用方式，由出口回到入口表示余热用于预热进口料或空气。纵观整个网络可见，由于钢厂工序长、设备多，余能余热资源丰富、形态多样，利用技术也种类繁多。多数研究中针对某项具体技术的分析得到的结论往往并不具有普适性，难以作为一般性的参考。因此，有必要根据余热资源利用过程的基本能量转换特征，将各种回收技术划分为基本的方式。不同于余热利用技术的意义，一种利用方式可以有多种技术，但其能量转换形式的本质是相同的。余热资源的回收方式可以分为以下3大类。

1．1热利用

余热的热利用是指利用余热降低到环境温度释放的热量加热其他物料或对外供暖。由于热量的释放过程多是在定压条件下进行的，气体的放热量等于其焓的变化量，因此，热利用又被称为焓利用。热利用方式仅考虑余热回收量的大小，而与能量的品质（以温度为主要标志）无关。热风烧结技术［18］、高温炉渣水淬法［19］、煤调湿技术（CMC）［20］、蓄热燃烧技术（HTAC）［21］、热管换热技术［22］、相变换热技术［23］、余热锅炉生产蒸汽供暖、低温热泵技术［24］、吸收式制冷技术［25］等均属于余热的热利用方式。

1．2动力利用

动力利用也称火用利用，即回收余热中的可用能，使其转化为机械能或电能。余热发电是余热动力利用的主要形式，包括余热锅炉蒸汽发电［26］、炉顶余压发电技术（TRT）［27］、蒸燃联合发电装置（CCPP）［28］，干熄焦发电技术（CDQ）［8］等。钢铁流程余热量庞大，整体过剩，拓展热利用的途径非常有限，利用过剩余热发电是将来余热利用研究的重要方向［29］。1．3综合利用余热的综合利用是上述两种余热利用形式相结合，即一部分用于发电，一部分用于加热，或将发电装置的排热用于加热。如热电联产［30］，既用于发电，又提供一部分生产和生活供热。另外还有热电冷联产技术［31］等综合利用方式。

2余热利用技术的综合评价指标

余热利用技术的评价与余热资源的评价应是两个范畴问题。优质的资源（这里指的是从能量的角度）未必有好的回收方式；反之，劣质的资源也可以较为经济地回收。对于余热利用技术的评价，从不同的角度可能会得到不同的结果，有时结论甚至是相悖的。因此，一项余热利用技术的好与差，不能单从热力学角度或技术实施角度分析，应综合多方面因素进行综合评价。

2．1合理性

合理性指理论层面上用能过程的热力学完善程度。显然，某种意义上，这种“合理”性只是理论上的合理性，实际实施起来可能存在诸多困难，从而未必合理。这一评价标准不关心能量转换中间过程的具体环节及技术实现的复杂程度，仅关心余热资源的初始状态和最终产出，可以针对不同的余热利用方式，采用能量系统的一般热力学分析方法，基于热力学基本定律，以热效率、火用效率、能量利用系数等指标予以分析。由于热效率、能量利用系数等指标仅从能量的数量考察，并不包含能量的品质属性，因此，均不能完全体现用能的合理性。因此，可用能即火用损失最小应是合理性的根本要求，利用过程的火用损失率最小是唯一量化指标。对于现有余热回收利用技术合理性的评价，笔者建议采用以下方法：首先，对于同一余热的不同利用方式，采用火用损失率为唯一指标评价利用方式的合理性。根据热力学第二定律的开尔文表述，热量在转化为功的同时，必然要向低温热源即环境排放热量，为了保证设备的能量转换速率，排气温度往往远高于环境温度，这一部分排气中的火用将同热量一同流失。因此，如果在有相应温度的加热共同工程，往往应优先选择预热进口料，此时，火用损失仅产生于有限温差传热，损失大小取决于预热过程的传热温差和出口温度，传热温差越小，出口温度越接近环境温度，火用损失越小。由于一次能源（如煤）的化学能属于高品质的化学能，用于加热低温段的物料，火用损失极大，因此，一般预热过程的火用损失远小于消耗一次能源加热过程的火用损失。如果没有相应温度的加热共用工程，对于高温余热应首选动力利用或综合利用，避免降温热利用。其次，对于同一余热的相同利用方式，可采用同一热力学指标评价。对于热利用可以采用余热回收率评价，即回收的热量与理论上可以完全回收的热量之比。对于动力利用，可采用热效率或火用效率评价，两者评价结果是一致的。因为热功转换的热效率与热源温度相关，其绝对大小并不能反映用能过程合理性，建议采用火用效率评价。对于综合利用，如热电联产装置，应综合采用热效率和能量利用系数为指标，当热用户少、热负荷小时，应偏重热效率，反之，偏重热量利用系数，因利用的热量，其实是减小了一次能源的消耗量。

2．2可行性

可行性指该回收技术在具体设备层面上的可行性及操作实施难度。显然，可行性既与余热的特征有关，又与利用方式有关。不同形态的余热资源，其回收难度不同；同一种余热资源，不同的利用方式，实施难度也会不同。下面针对3种形态的余热资源，分别分析如下：液态余热（冲渣水、冷却水、冷凝水等）具有极好的换热特性，热利用只需要水管和换热器，可将回收的冷却水热量用来预热进入设备的物料、空气或水，可行性较好；动力利用需将水再次升温汽化才能做功输出机械能，可行性差，但如果采用低温有机工质发电［32］或温差发电技术［33］，技术成熟，可行性较好。气态余热（烧结机、高炉等设备的排烟）温度高，成分复杂，往往需要经过脱硫、除尘等设备，先在余热锅炉中将烟气显热转化为水蒸汽工质的焓，再通过蒸汽轮机输出动力，实际上是一个先热利用再动力利用的过程，过程复杂，可行性较差；烟气热利用即用于预热本工序进料，利用过程简单，可行性较好。固态余热（高炉渣、转炉渣等）热利用和动力利用难度都很大，因为其缺少作为换热工质和做功工质的基本属性———流动性，可行性最差。如炉渣显热，目前尚无商业化的高效回收技术，急冷水冲渣技术实际上是为了获取水泥原料，虽然实现了炉渣的资源化利用，但显热没有回收，在冲渣水冷却塔中白白流失［34］。实际上，对于3种形态的余热资源，从可行性上分析，均是热利用优于动力利用，即用于加热比用于发电技术改造更简单，这也是目前各钢厂对余热资源普遍采用热利用方式的原因。

2．3经济性

经济性是指采用该回收技术能够为该厂带来的经济效益。可以认为，这一评价标准只是从资金投入与利润产出的关系考察，并不涉及热力学完善程度方面的意义。显然，可行性是经济性的基础。在技术上难以实现的利用方案，就谈不上经济性。对于企业而言，在同一资源的各种利用方式中，其最终的选择往往并不受用能合理性的影响，而是取决于此种技术的实施能够产生的经济效益大小。具体地，可以用投资回收期和年收益两个指标描述，两者可以分别简单概括为见效快，收益高，也就是企业对余热回收技术的基本要求。投资回收期是指设备发电量总价格等于设备总价格时的运行时间。年收益是指余热回收设备投产后，每年能够为企业带来的利润。投资回收期和年收益可分别采用价格功率比和装机容量进行分析，两者分别决定了投资回收期和年收益。对于余热回收发电设备，年收益即年发电量与售电价格的乘积。投资回收期可通过式（1）求出。

3常用余热利用技术的综合评价

表1给出了目前钢铁企业采用的余热利用技术及其评价结果。表中，合理性评价以利用过程的火用效率排序，可行性以实施难度排序，经济性以现在先进技术的投资回收期排序。某项技术分值越高，代表在可行的几种利用方式中，该指标评价的结果越好。如对于炉渣显热，水淬法、风淬法、化学法，合理性依次提高，则分值分别为1、2、3。对于利用技术单一的余热，评价分值均以1计。环冷机废气和烧结机烟气均指高温段。从表中可以看出，同一种余热资源的不同利用技术，合理性好的，往往可行性差，即技术实施复杂。对于现已采用的回收技术，合理性与经济性通常是一致的，即用能越合理，节能越明显，经济性也就越好。但对于某些尚在研究、技术不成熟的利用技术，合理性与经济性是不一致的，如炉渣的风淬法和化学法回收，由于成本过高（根本原因是技术不成熟），经济性差，现阶段尚无法用于商业化运行。

4余热利用技术研究基本路线

短期内，以经济性为指标，把投资回收期短、还没有利用的余热充分利用起来，提高余热资源的回收率。目前，许多可行性好、经济性好的余热回收技术已经成熟，但尚未完全普及，如冲渣水等低温余热，可用于厂区内供暖等［41］。把这些易回收的资源先利用起来，是当前紧迫任务。中期看，以热效率为指标，把已经采用的技术用好，不断改造现有余热利用技术，提高利用效率。如环冷机废气一般用于预热烧结进料，但利用效率不高，如果将高温段余热实施动力回收，将中温段和低温段余热实施直接热回收［42］，用于预热干燥烧结原料、点火炉的助燃空气，则可以显著提高利用率，且投资低、见效快。长期看，以合理性和可行性为目标，积极开展基础研究，攻克技术难关，解决用能不合理、能级不匹配的根本问题，把现阶段用不了的余热在不远的将来用起来。如高炉渣和转炉渣等固态余热资源品位高、数量大，均是优质资源，但由于目前对高温熔渣的研究不深入，技术不成熟，显热均未回收。风淬法获取高温热风发电和化学法生产氢气等是未来高炉熔渣余热回收的主要研究方向［43］。

5结论

（1）考虑到技术实施难度、工厂效益等因素，用能的合理性并不能作为某项技术优劣的唯一评价标准。（2）用能合理性、技术可行性、投资经济性3个方面相互独立，对一项余热回收技术优劣的评价必须言明是从哪一方面进行评价的。（3）对于余热的动力利用，由于热功转换的热效率与热源温度相关，其绝对大小并不能反映用能过程合理性，采用火用效率评价更为合理。（4）经济性指标综合反映了余热资源的品质和数量。

热化学方程式篇8

摘要：采用正交组合回归设计试验方法研究了亚温淬火条件下，淬火温度和回火温度对45钢强度及硬度的影响规律，并分析了该钢亚温淬火后的组织与性能。结果表明，在740～800 ℃范围内，随淬火温度升高， 45钢的强度及硬度升高，淬火组织中铁素体量逐步减少，其分布形态也发生明显变化， 800 ℃淬火后的力学性能接近于常规的840 ℃淬火。在试验的基础上，提出了45钢活塞（780 ±10） ℃淬火+ （550 ±10） ℃回火的调质处理新工艺。

关键词：调质处理 抗拉强度 显微组织

1 金属热处理的实在意义

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。金属热处理是材料生产中的最重要的工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体化学成分，而是通过改变工件的内部的显微组织，或改变工件的表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能观察到的。金属热处理中的“四把火”指退火、正火、淬火（固溶）和回火（时效）。

退火是指将工件加热到适当温度，根据材料的和工件的尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，其目的主要是降低材料的硬度，提高塑性，以利于后续加工，减少残余应力，提高组织和成分的均匀化。退火根据目的不同分为再结晶退火、去应力退火球化退火、完全退火等。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，有时也用于对一些要求不高的零件的最终热处理。淬火是将工件加热保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液淬冷介质中快速冷却。淬火后材料为不平衡组织，通常很硬很脆，需要在高于室温的某一温度进行长时间的保温，再进行冷 却，这种工艺叫回火（时效）。

2 成型处理方法的研究

从以上定义可以看出，不论是退火、正火、淬火还是回火，热处理过程中都要对工件进行加热、保温和冷却。所以金属热处理中，加热速度，保温时间和冷却速度成为热处理工艺中最重要的工艺参数。

“四把火”中，淬火和回火（时效）关系最为密切，常常配合使用，二者缺一不可。但在实际生产中，为了节约成本，提高生产效率，对于性能要求低的产品，往往用在线淬火代替淬火炉淬火，用自然时效代替回火。

3 热处理和材料成型结合验证

在微观设计活动的语境下，材料、成型、形态三者有着相互作用的关系，不仅仅是选择和被选择或是选择和接受的一般关系。材料和成型——材料是微观设计活动中所涉及到的材料（包括天然材料和人造材料），成型是材料基于其物理和化学特性上的成型 ；成型是材料在物理上和化学上变化后的结果或以化学变化为手段产生的物理上的形态结果。如 ：铝材在铸造的过程中，利用其化学特性使之在特定条件下改变材料特性，又因特定外部条件的作用恢复铸造之前的特性，但此时的物理形态已经发生了较大的变化，达到设计师的设计需求。材料决定成型，也就是说，在材料既定的前提下，成型是材料的特性（物理、化学特性）规定的；超出材料特性（物理、化学特性）的成型方式，在现实的微观设计活动中存在的几率很小，或只能通过材料和材料的复合使用才能达到 ；即使在CAD软体中可以近似模拟，在微观设计活动中可能成本很高失去实用价值或存在本身并不合理。如：一个由塑料制成的箱子和一个由木材制成的箱子，由于他们应用的材料不同，使得在实践加工之后产生的形态结果迥然不同。在为广大受众服务的批量化生产条件下，塑料的箱子以注塑成型的方式制成，材料的物理和化学特性，如上文所介绍的，其转角和过度的部位应呈现r半径转角的形态，以方便液态的塑料在模腔中的均匀流动和分布，减少生产缺陷 ；而换一种加工方式，塑料箱子的形态也可能是清棱清角的形态，但其结果理想程度不如前者。

4 热能动力工程的研究方向

热动主要研究热能与动力方面，是跨热能与动力工程、机械工程等学科领域的工程应用型专业。目前我国有120多所院校开设有该专业，它由旧本科的九个相关专业合并而成，包括了原来的热力发动机（080311）、热能工程（080501）、流体机械及流体工程（080313）、热能工程与动力机械（080319W）、制冷与低温技术（080502）、能源工程（080506W）、工程热物理（080507W）、水利水电动力工程（080903）、冷冻冷藏工程（081409）专业。

热动主要学习机械工程、热能动力工程和工程热物理的基础理论，学习各种能量转换及有效利用的理论和技术。专业通过理论力学、材料力学、工程制图、机械设计、电工与电子技术、工程热力学、流体力学、传热学、控制理论、热工测试技术以及专业方向课程的学习，使我们具备工程热力学、流体力学、传热学和热工测试技术等热能与动力工程领域的基础理论、实验技能和基本专业知识，掌握制冷空调设备、制冷装置、动力机械与动力工程、流体机械等设计、制造和实验研究的基本技术。在此基础上，它是一个宽口径的专业，拓展空间很大，就业方向很广，有电厂热能工程及其自动化方向、工程热物理过程及其自动控制方向、流体机械及其自动控制方向、空调制冷方向等。同时，热动还是现代动力工程师的基本训练，可见热动是现代动力工程的基础。

5 金属热处理在成型技术中的应用

由于材料的特性决定这样的缺陷明显——应力的分布没有注塑成型的形态分布均匀，在粘接处应力集中，容易变形或损坏。并且，从生产的角度考虑，由于粘接成型加工特点的限制，这样的成型方式在大多情况下要由手工完成，很难适应服务广义大众的批量化生产。成型和形态不一定是一一对应的方式，相同的成型方式由于所应用的材料不同而产生不同的加工形态 ；不同材料之间的相似性决定了不同材料，在不同的外部环境下（如温度不同、压力不同、应用于材料中的添加剂不同等），可以应用同一种或是原理相同的成型方式 ；而材料之间的差异性使材料在应用了相同的成型工艺之后产生的形态不尽相同。两种材料在工艺成型上，采用了相似的方式，却产生了不尽相同的形态和外观 ；导致在微观设计活动中，设计师在最终形态上的要求改变。相同的形态可以由不同的成型方式来实现 ；相同的形态在结构上不一定相同，即同样的产品形态可以由不同的结构方式结合而成，不同的材料在实现同一个形态时采用的方式不尽相同。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部高等教育司.普通高等学校本科专业目录和专业介绍[M].北京：高等教育出版社，1998