红外热效应

1800年，英国天文学家F.W.赫歇耳为了研究光和热的关系，把温度计置于太阳光谱的不同颜色区域，观察到在光谱的红端以外温度计的读数比在可见光谱区域高得多，从而发现了红外辐射的存在及其热效应。

热能是物质粒子无规则运动的平均动能。根据现代物理学的观点，物体是不停运动着的大量原子和分子的密集系统。分子中的原子不停地相对振动，分子还不停地作旋转运动，在晶体中原子在格点附近来回振动，这些运动状态有许多各不相同的特征频率，而且能量是量子化的。

热能和辐射能之间的相互转化，是由于无规则运动引起粒子的相互碰撞使粒子的运动状态发生变化（粒子在不同能态之间的跃迁）的结果。

粒子从高能态向低能态跃迁时，发射其频率与特征频率相同的电磁辐射；反之，粒子只能吸收其频率与特征频率相同的电磁辐射能量，从低能态激发到高能态。原子和分子的振动或分子的旋转运动的特征频率分布在宽广的红外光谱区，因此，热物体（温度高于绝对零度的任何物体）不断地发出红外辐射，红外辐射使物体变热的效应也特别显著。

红外辐射能够有效地加热物体的效应，在生产中已广泛用于对谷物、木材、皮革、颜料、油漆等的干燥处理。红外加热干燥技术，具有干燥效果好、能量消耗低的优点。这是因为红外辐射能够进入材料深处，而且可以根据被处理材料的吸收特性来选择辐射源，即使它的辐射功率最强的波段尽可能同被处理材料的最强吸收波段相匹配，因而材料能最有效地吸收红外辐射能量，并将它转化为热能。

红外热效应是设计和制作热敏型红外探测器的物理基础。基于温差电效应和热敏电阻效应制作的红外探测器，是最早得到应用的辐射探测器。后来，利用气体热膨胀效应和热释电效应制作的热敏型红外探测器，也得到了重要的应用。

在生活中，利用红外热效应的有红外线高温杀菌、红外线治疗等。2100433B

红外热效应

电磁波的热效应通常是这样解释的：物质内部分子是呈中性，但带有等量的正负电荷，在电场中会被极化，即正负电荷随电场方向或反方向加速后分离至两端，在化学中也称作弛豫。

红外线作为电磁波，在传播中伴有交变电磁场，会使物质的分子交替极化，导致大量分子的往复弛豫运动，这种分子在运动中就会发生碰撞并与物质摩擦，就表现出了“热”现象。微波炉就是利用这个原理工作的。烤箱用红外线工作，穿透力比微波要差，所以不像微波炉那样加热内部，可以把面包表面烤糊

另一当面，红外线（尤其是远红外区）的振动频率更接近物质的频率更容易引起物质的共振，所以热效应最显著。

在等温度过程中，体系吸的热因过程不同，有反应热（如生成热、燃烧热、分解热与中和热）、相变热（如蒸发热、升华热、熔化热）、溶解热（积分溶解热、微分溶解热）、稀释热等。根据等容、等压等过程，热效应可分为等容热效应与等压热效应。等容过程的热效应，称等容热效应；等压过程的称等压热效应。化学反应、相变过程等一般是在等压条件下进行的，故手册中列出的有关数据，一般是等压热效应。由于这些过程一般不伴随其他功（只有体积功），等压热效应就等于体系焓的增量，用符号△H表示。若为负值，表明过程放热。这类数据广泛应用于科学研究、工业设计与生产等领域。

电流热效应：简单的说，电流通过导体时电能转化成热，这个现象叫做电流的热效应。

生成热

由稳定单质化合生成1mol化合物的恒压反应热效应，称为该化合物的生成热，又称生成焓。规定所有温度下最稳定的单质的焓值为零，所以由稳定单质生成化合物的反应焓变即为该化合物的相对焓值-生成热。为了进行统一的计算和比较，往往用标准生成热，即在指定温度时，101325Pa下，由稳定单质生成1mol化合物时的反应热，就是该温度时化合物的标准生成热。

燃烧热

1mol物质在指定条件下完全燃烧时的热效应称为该物质的燃烧热。所谓完全燃烧是指产物处于稳定的聚集状态，如C变为CO₂（g），H变为H₂O（l），S变为SO₂（g），N变为N₂（g），Cl变为HCl水溶液等。物质的燃烧热可以由热力学手册查得，大多数手册所列为25摄氏度、101325Pa下物质的燃烧热，称为该物质的标准燃烧热。

目前，人们对燃烧热的利用已非常广泛，最常见的为利用生活垃圾的燃烧热来发电。随着人类对已知能源的不断开采利用，全球将面临能源危机，但是发现的新资源海底可燃冰将为人类解决这一难题 。

离子的生成热

对于有离子参加的反应，如果能够知道离子的生成热，则离子反应热也可按照（3-22）、（3-23）求出。所谓离子生成热是指在101325Pa和指定温度下，由最稳定的单质生成1mol溶于无限大量水溶液中的相应离子所产生的热效应。但是，在一个反应里正负离子总是同时存在，无法直接计算一种离子的生成热，为此，必须建立一个相对标准，习惯上规定H （∞，aq）的标准摩尔生成热为零。即：

1/2H₂（g）=H （∞，aq） e（H （∞，aq））=0

将其他离子与其比较，从而得到各离子的标准生成热。

例如已知H₂（g） 1/2O₂（g）=H₂O（l）=-285.83kJ.mol^-1

H₂O（l）=H （∞，aq） OH^-（∞，aq）=55.84kJ.mol-1

则以上两方程相加，得H₂（g） 1/2O₂（g）=H （∞，aq） OH^-（∞，aq）

=-285.83kJ.mol^-1 55.84kJ.mol^-1=-229.99kJ.mol^-1

由于（H （∞，aq））=0

所以1/2H₂（g） 1/2O₂（g）=OH^-（∞，aq）

=-229.99kJ.mol^-1这就是OH-离子的标准摩尔生成热。

溶解热

物质溶解过程通常也伴随着热效应，如硫酸、苛性钠等物质溶解于水中，产生放热现象；而硝酸铵溶于水中则发生吸热现象。这是由于形成溶液时，粒子间相互作用力与纯物质不同，发生能量变化，并以热的形式与环境交换之故。物质溶解过程所放出或吸收热量的多少，与温度、压力等条件有关，如果不加注明，常常指25oC及101325Pa的条件。

1mol溶质溶解于一定量溶剂中，形成某一浓度的溶液时所产生的热效应称为该浓度溶液的积分溶解热。由于溶解过程中溶液浓度不断变化，因而积分溶解热称为变浓溶解热。符号ΔHint。而1mol溶质溶解于一定浓度的无限大量溶液中，所产生的热效应称为该溶质在此浓度下的微分溶解热，也叫定浓溶解热，符号ΔHdiff。溶解热单位J.mol-¹或kJ.mol^-1。

简述

一切化学反应实际上都是原子或原子团的重新排列组合，在旧键破裂和新键形成过程中就会有能量变化，这就是化学反应的热效应。

键的分解能：将化合物气态分子的某一个键拆散成气态原子所需的能量，称为键的分解能即键能，可以用光谱方法测定。显然同一个分子中相同的键拆散的次序不同，所需的能量也不同，拆散第一个键花的能量较多。

键焓

在双原子分子中，键焓与键能数值相等。在含有若干个相同键的多原子分子中，键焓是若干个相同键键能的平均值。

美国化学家L·Pauling假定一个分子的总键焓是分子中所有键的键焓之和，这些单独的键焓值只由键的类型决定，从而促进了化学键理论的发展。这样，只要从表上查得各键的键焓就可以估算化合物的生成焓以及化学反应的焓变。显然，这个方法是很粗略的，一则所有单键键焓的数据尚不完全，二则单键键焓与分子中实际的键能会有出入。

等压热效应与等容热效应

前已述及，热量不仅与过程的始、终态有关，且与过程所取的途径有关。然而，在某些特殊条件下过程的热则仅取决于过程的始终态。

常定义在体系与环境之间无非膨胀功发生而反应物与产物的温度相同时，化学反应过程中所吸收或放出的热量，称为“化学反应热效应”，简称“反应热”。

等容热效应：

Qv=ΔU（或ΔrU）（3-24）

等压热效应：

Qp=ΔH（3-25）

U和H均为状态函数，ΔrU（等容反应热）和ΔrH（等压反应热）的数值均只与始终态有关而与过程所取途径无关。因此，只要过程同是在等容或同是在等压条件下进行，则反应热效应也仅取决于始终态而与过程所取途径无关。当反应进度ξ=1mol，即反应按所给反应式的计量系数比例进行时，则ΔrH=ΔrUm，称“摩尔反应热力学能变”，而ΔrH=ΔrHm，称“摩尔反应焓变”，其中下标符号γ意反应，m示摩尔，量纲单位为J·mol-1。现以A、D代表反应物而G、H代表产物，按下式进行：

aA dD→gG hH

式中a、d、g、h分别为A、D、G、H等物质的计量系数，则热效应意义结论分别可用下式表示：

（Ui及Uf分别为反应物及产物的热力学能）

（Hi及Hf分别为反应物及产物的焓）

对应同一反应，等容和等压热效应ΔγUm和ΔγHm之间有如下近似关系：

ΔγHm=ΔγUm ΔnRT（3-26）

式中Δn（或示为）为反应过程中气体物质的量的增量。式（3-26）的导出可参考图2-15。

由图，等容热效应：

Qv=ΔγUm=ΔU1（3-27）

显然

ΔU1 ΔU2=ΔU3（3-28）

而

ΔH3=ΔU3 p1ΔV

=ΔU3 p1（V2-V1）（3-29）

ΔU2相当于产物（gG hH）在恒温（温度保持T1）条件下由状态（p2、v1、T1）所吸收或放出的热量与等容反应热效应ΔU1或ΔU3对比其值甚小，可以略去不计，可令：

ΔU1≈ΔU3≈ΔγUm（3-210）

而

ΔγHm=ΔH3=ΔU3 p1ΔV=ΔγUm p1ΔV（3-211）

式中n2和n1分别为计量方程式中产物气体的物质的量和反应物气体的物质的量。

或

p1ΔV≈ΔnRT（3-212）

以式（3-212）结果代入式（3-211），即得式（3-213）：

ΔγHm=ΔγUm ΔnRT（3-213）

上式在ΔγHm和ΔγUm之间的相互算甚为有用，某些反应ΔγHm难以直接测定，另一些反应则ΔγUm难以直接测定，均可利用上式以换算ΔγUM或ΔγHm精确计算时，则应将ΔU2的贡献计算在内。

微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生理影响。热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热；体内离子在微波作用下振动也会将振动能量转化为热量；一般分子也会吸收微波能量后使热运动能量增加。如果生物体组织吸收的微波能量较少，它可借助自身的热调节系统通过血循环将吸收的微波能量(热量)散发至全身或体外。如果微波功率很强，生物组织吸收的微波能量多于生物体所能散发的能量，则引起该部位体温升高。局部组织温度升高将产生一系列生理反应，如使局部血管扩张，并通过热调节系统使血循环加速，组织代谢增强，白细胞吞噬作用增强，促进病理产物的吸收和消散等。