当前课程知识点：大学化学 > 第十二章 化学与现代科学 > 化学与材料-相变材料（一） > Video
同学们好
我们这节课
来学习相变材料
相在热力学里
是一个非常重要的概念
指的是系统中
物理、化学性质完全相同
与其他部分
具有明显分界面的
均匀部分
物质的常见聚集状态
有三种
即固态、气态和液态
那么与这三态相对应
物质它可以处在
固相、气相和液相
相变 顾名思义
是指物质从一个相
转变为
另外一个相的过程
在发生相变时
物质的聚集状态和结构
都可以发生变化
比如
固-液相变
固-气相变和
液-气相变
也可以是聚集状态不变
而结构发生变化
例如α石英
与α磷石英之间的转变
这实际上是一个
固-固相变
在发生相变的时候
通常都会伴随着一些
特殊的物理效应
例如
物质在等温等压情况下
从一个相变化到
另外一个相
会吸收或者放出热量
这是物体在
固、液、气三相之间
以及不同的固相之间
相互转变时
具有的特点之一
这个吸收或放出的热量
就叫相变热
因为物质在吸收
或放出相变热时
不会引起温度的升高
或降低
也就是说这种热量
对物质的温度变化
只起潜在的作用
所以相变热
也被称为
相变潜热或者潜热
在热力学中
更为常用的是
是用相变焓
描述物质发生相变时
吸收或者放出的热量
摩尔相变焓指的是
单位物质的量的某物质
在恒温恒压
一般这个压力
就是101.325kPa下
发生的平衡相变时
系统与环境之间
交换的热
例如
我们知道
固态的冰和液态的水
之间的转换
就是一种相变
在0℃
也就是273.15K
和一个标准大气压下
冰变成水是平衡相变
对应的摩尔熔化焓
是6.03kJ/mol
同样的条件下
水变成冰是凝固过程
对应的摩尔凝固焓
是多少呢
热力学告诉我们
它数值上
应该等于摩尔熔化焓
符号相反
因为水凝固成冰
它是一个放热过程
同样的
对应于物质
液气之间的相变
有汽化焓或凝结焓
固气之间的相变
有升华焓
或者是凝华焓
相变储能材料
就是利用材料在相变时
吸热和放热的现象
来进行热能储存
和温度调节的控制的
这么一类材料
相变储能材料为什么能够
储存热能和调节温度呢
我们还是以
水的液固相变为例
根据刚才提到的
水的摩尔熔化焓
0℃的时候
1kg的冰变成水
它可以吸收储存
335kJ的热量
同样的
根据液态水的比热容
我们很容易地算出
如果要吸收储存
335kJ的热量
需要将1kg液态水
升高80℃
才能够实现
由此我们可以看出
相变过程
可以用来储存热能
并且相变储能
具有以下的特点
一 储能的过程容易控制
第二 储热放热近似等温
第三 它的储能密度很高
相变储能材料
除了储存热能外
另外一个重要的应用
就是调节温度
例如
当外部环境温度
过高的时候
相变材料它可以发生
固液相变
吸收环境的热量
从而使环境温度降低
当外部环境温度过低时
相变材料
它可以发生液固相变
向环境放出储存的热量
从而使环境温度升高
这样我们就可以使得
环境温度
始终保持在一个
理想的温度区间
根据相变储能材料的
工作原理
我们可以为这类材料
找到很多重要的应用
例如在太空领域
探索月球
一直是我们中国人的梦想
我们也希望有
中国的航天员
早日能够登上月球
然而由于月球表面
没有大气保温和产热
月球上的
昼夜温差非常大
当太阳直射时
月球表面
最高温度可以达到
123℃
而在没有太阳照射的地方
月球表面最低温度
可以达零下233℃
那么这个急剧的
温度变化
会对宇航员的生命安全
和探月设备的
它的正常工作
产生一个不利的影响
如果我们能够
在宇航服当中
引入相变储能材料
就可以一定程度上起到
温渡控制的作用
帮助宇航员
抵御太空环境下
剧烈的温度变化的威胁
不光是宇航服
相变储能材料
还可以为
卫星等设备正常工作
提供恒温环境
或者吸收储存太阳能
当然这些相变材料
也还可以用于
人们的日常生活
比如
现在市场已经出现了
相变发热地板
它的核心部分
除了发热元件之外
就是在发热元件两侧的
相变储能材料
在用电低峰的时候
我们可以对
发热元件加热
相变材料储能
室内温度低的时候
相变材料就可以
将储存的热量
释放出来
提高室内的温度
类似的
也可以利用相变储能材料
制作冬暖夏凉的
智能调温服装
在海产品运输
或者是医疗领域
需要对血液、疫苗
或者说待移植的器官
进行低温保存
和运输的时候
也可以利用
相变储能材料的
温度调节功能
在建筑领域
我们可以利用
相变石膏板
相变混凝土来盖房子
达到节能环保的目的
在军事领域
我们可以把相变储能材料
涂附在军事装备上
使军事装备的温度
始终与环境温度一样
达到对军事装备
进行热红外伪装
增强其隐避性
按照相变的方式
一般分为
固-固相变
固-液相变、固-气相变
和液-气相变四大类
由于固-气相变和
液-气相变方式
在相变过程中
伴随着大量气体的产生
体积变化很大
对容器要求高
所以在实际运用中
很难推广
因此
固-固相变和固-液相变
被看作是
重点研究的对象
相变材料工作时
主要基于
固-固相变和固-液相变
常见的相变储能材料
主要包括
无机类相变材料
和有机类相变材料
在无机类相变材料中
主要有四类
结晶水合盐
无机盐、金属
还有包括水等
其他的无机相变材料
结晶水合盐
是中常温相变储存中
最常用的
一大类相变材料
这类材料的相变
潜热比较大
在100~300kJ/kg
使用范围广
价格也便宜
导热系数比较大
密度比较大
单位体积储热量大
那么无机盐
也是常用的相变材料
比如LiF相变潜热
可以达到1044kJ/kg
金属的相变潜热
在400~510kJ/kg之间
由于金属升温快
一般可以结合
其显热储能和
潜热储能综合使用
另外值得一提的是
水也是一类重要的
相变材料
我们可以借由冰水混合物
提供一个近似0℃的
这么一个环境温度
无机相变材料里面
最常用的
是结晶水和盐
它包括醋酸盐
硝酸盐、硫酸盐
磷酸盐、碳酸盐
卤化物等
那么这些材料的熔点
相变潜热都可以查得到
我们可以根据
应用的要求
选择不同的结晶水合盐
结晶水合盐
作为一种相变储能材料
主要存在两个问题
一个是过冷
是指液态相变材料
冷却到凝固点时
并不结晶
而需要冷却到
凝固点以下
一定温度时
才开始结晶的现象
如果不加以消除
会影响相变
储能系统的性能
另外一个就是析晶
是指经过加热
冷却循环后
结晶水合盐的结晶水
与盐分离的现象
使得相变材料的潜热
迅速的衰退
有机类相变材料
主要包括
石蜡、酯酸及多元醇
那么在这么多
有机类相变材料中
石蜡类相变材料
因为它的熔点范围广
从零下5℃
一直到66℃
相变的潜热高
没有毒性
没有腐蚀性
且具有较稳定的
物理化学性能等优点
在民用及航空航天领域
常被列为优先
选用的材料
这类材料没有析出现象
虽有弱过冷
但不影响使用
其性能稳定
没有腐蚀性
所以与建筑材料相结合时
多采用这类相变材料
那么它的缺点是什么呢
主要存在于
导热系数比较小
密度小
单位体积储热的能力不大
这些相变材料
同时因为固液转变
或者是升华等原因
在使用过程中
必须借助于密封的容器
这不仅会增加传热热阻
而且使得相变
储热单元的成本
也会大大提高
相变储能材料种类繁多
据统计目前
已经了解的相变储能材料
有600多种
新型的相变储能材料
也不断涌现
那么在使用时
如何选择相变储能材料呢
一般来讲
我们根据三个原则来选择
一个是外部因素
另外一个是它的热物性
第三个是
它的经济安全性
外部因素主要考虑
它应用的环境
应用的温度
那么热物性呢
我们会考虑
这个材料的
它的储热性能
导热系数
结晶或者融化的速度
它的蒸汽压
是不是比较低
密度是不是高
体积变化的大小
那么
从经济安全的角度来考虑
我们希望这个相变材料
它是稳定的
没有毒的
来源广泛
价格要便宜
目前在相变材料
研发的过程中
仍然有
许多需要解决的问题
比如稳定性差、寿命短
因此相变材料
未来的研究重点
是根据环境条件要求
研制出
具有合适的
相变温度与潜热
并且能够长期使用
物理化学性能稳定
经济和环保的
相变材料
我们这节课
关于相变材料的学习
就到这里
-1.1 不一样的大学化学
--Video
-1.2 化学体系的建立
--Video
-1.3 应该了解的化学
--Video
-1.4 课程学习的必要准备
--Video
-第一章 绪论--第一章 习题
-2.1 物质的聚集状态—物质的相与相变
--Video
-2.1 物质的聚集状态—气体—理想气体与实际气体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—气体—实际气体的状态方程
--Video
-2.1 物质的聚集状态—液体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—固体—单晶多晶与非晶结构；晶体的宏观性质
--Video
-2.1 物质的聚集状态—固体—晶体的对称性
--Video
-2.1 物质的聚集状态—等离子体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—液晶
--Video
-2.1 物质的聚集状态—等离子、液晶与平板显示技术
--Video
-2.2 溶液的性质—溶液的特点与分类
--Video
-2.2 溶液的性质—气体、液体和固体的溶解
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—饱和蒸气压降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—稀溶液的沸点升高
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—溶液的凝固点降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性— 溶液的渗透压
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—反渗透现象
--Video
-第二章 物质的聚集状态与溶液的性质--第二章习题
-3.1原子核外电子运动的描述-原子结构理论的发展
--Video
-3.1原子核外电子运动的描述-核外单电子运动的量子化模型
--Video
-3.1原子核外电子运动的描述-电子运动的特点
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道- 电子运动的波函数与原子轨道
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道-量子数的取值与原子轨道
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道-自旋量子数的取值原则
--Video
-3.3核外电子排布-多电子原子核外电子运动的描述
--Video
-3.3核外电子排布-基态原子核外电子的排布
--Video
-3.4元素周期律-元素周期律与元素周期表
--Video
-3.4 元素周期律-元素性质的周期性
--Video
-3.4元素周期律-电子结构与元素性质
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-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 小论文
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 习题
-4.1 离子键理论—离子键理论
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-4.1 离子键理论—离子键价键构型
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-4.1 离子键理论—离子半径与离子晶体的结构
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-4.2 共价键理论—经典路易斯理论
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-4.2 共价键理论—现代价键理论
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-4.2 共价键理论—共价键的性质
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道的理论要点
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（一）
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（二）
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-4.3 杂化轨道理论—不等性杂化轨道理论
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）I
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）II
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道的建立
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道能级图
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-4.5 分子轨道理论-异核双原子分子和离子
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-4.6 分子间作用力-分子的极性
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-4.6 分子间作用力-分子间作用力
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-4.7 氢键
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-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 小论文
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 习题
-5.1 配合物的基本特征-配合物的形成
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-5.1 配合物的基本特征-配合物的命名规则
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-5.2 配合物的化学键理论-配位学说
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-5.2 配合物的化学键理论-配合物价键理论
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-5.2 配合物的化学键理论-晶体场理论
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-5.3 配合物化学键理论的应用-配合物的几何异构现象
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（一）
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（二）
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-第五章 配位化学概论--第五章 习题
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-热力学第一定律
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-反应进度
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(二)
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-6.2 化学平衡-可逆反应与平衡常数
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-6.2 化学平衡-化学平衡的规则
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-第六章 化学反应中的能量变化与化学平衡--第六章 习题
-7.1 自发过程与自发反应（一）
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-7.1 自发过程与自发反应（二）
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵与Entropy
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-7.2 熵与热力学第二定律—热力学第二定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—热力学第三定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—孤立系统熵判据
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（一）
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（二）
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-7.4 吉布斯自由能的判据—标准吉布斯自由能的计算
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-7.4 吉布斯自由能的判据—反应方向的标准吉布斯自由能判据
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-7.4 吉布斯自由能的判据—非标准状态下自发反应方向性的判据
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-7.4 吉布斯自由能判据—吉布斯-亥姆霍兹方程
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（二）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（二）
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-第七章 化学反应的方向--第七章 小论文
-第七章 化学反应的方向--第七章 习题
-8.1 化学反应速率-化学反应的方向与反应速率
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-8.1 化学反应速率-化学反应速率的表示方式
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（一）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（二）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-一级反应速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-二级反应速率方程
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-温度对化学反应速率的影响
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（二）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（二）
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-8.4 催化剂对化学反应速率的影响
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-第八章 化学动力学基础--第八章 习题
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（一）
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-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（二）
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-9.1 酸碱平衡—水的解离平衡
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（一）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（二）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（三）
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-9.1 酸碱平衡—同离子效应
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（一）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（二）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（三）
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-9.2 配位平衡—配合物的解离平衡
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-9.2 配位平衡—配合物解离平衡的移动
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积常数
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（一）
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（二）
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-第九章 酸碱平衡与沉淀溶解平衡--第九章 习题
-10.1 氧化还原反应方程式配平
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-10.2 原电池与电极电势—原电池
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（一）
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（一）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电极电势的影响
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应的方向性
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-10.4 电极电势的应用—判断元素的氧化还原能力
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应进行的程度
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（一）
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（二）
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-10.4 电极电势的应用—金属的电化学腐蚀与防护
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-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 小论文
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 习题
-无机元素化学-s区元素
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-无机元素化学-p区元素
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-无机元素化学-过渡元素
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-生命化学概论-生命有机化合物官能团
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-生命化学概论-生命元素-碳
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-生命化学概论-生命元素-氧
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-生命化学概论-蛋白质
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-生命化学概论-核酸
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-生命化学概论-糖
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-生命化学概论-金属酶与金属蛋白
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-生命化学概论-药物
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-第十一章 元素与生命化学概论--第十一章 习题
-纳米科学与化学-自然界中的纳米现象
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-纳米科学与化学-微观结构与仿生
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-纳米科学与化学-纳米结构的观察
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-纳米科学与化学-纳米结构与特殊浸润性
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-化学与材料-材料科学领域中的化学问题
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-化学与材料-正渗透与水处理技术
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-化学与材料-相变材料（一）
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-化学与材料-相变材料（二）
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-化学与材料-范德华力与二维材料
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-第十二章 化学与现代科学--第十二章 习题
-大学化学期末考试
