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化学平衡催化剂

1850
化学家在复古的实验室环境中进行催化剂实验，1850 年。.

（图片仅供参考）

催化剂通过提供活化能较低的替代反应途径，平等地提高正向和逆向反应的速率。虽然催化剂可以使体系更快地达到平衡，但它不会改变平衡本身的位置。反应物和产物的平衡浓度以及平衡常数K的值保持不变。

催化剂的作用可以通过反应能量曲线图来可视化。催化剂降低过渡态的能量，过渡态是反应物和产物之间能量势垒的峰值。关键在于，它对正向反应和逆向反应的能量势垒降低的幅度相同。这意味着正向反应的活化能 (Ea,fwd) 和逆向反应的活化能 (Ea,rev) 都降低了，但它们之间的差值（即反应的总焓变 (ΔH = Ea,fwd - Ea,rev)）不受影响。

由于平衡常数 K 与标准吉布斯自由能变化 (ΔGcirc = -RT ln K) 相关，而催化剂并不改变总反应的热力学性质 (ΔGcirc, ΔHcirc)，因此它们无法改变 K 值。催化剂的作用纯粹是动力学上的，使系统能够在更短的时间内达到热力学上有利的平衡状态。这在工业过程中至关重要，因为快速达到平衡在经济上是必要的，而许多热力学上有利的反应如果没有催化剂则进行得非常缓慢，难以实际应用。

UNESCO Nomenclature: 2209
- 物理化学

类型

抽象系统

中断

基础

用法

广泛使用

前体

  • 将反应速率与活化能联系起来的阿伦尼乌斯方程
  • 活化能的概念
  • 早期观察到物质加速反应而不被消耗（例如，基尔霍夫、戴维）

应用程序

  • 汽车中的催化转化器可减少有害排放
  • 生物系统中的酶作为生物催化剂
  • 使用铁催化剂的哈伯-博施法
  • 使用氧化钒催化剂的接触法
  • 石油精炼和裂解

专利：

NA

潜在创新理念

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相关术语：催化剂、平衡、活化能、反应速率、动力学、热力学、平衡常数、正反应、逆反应、酶。

历史背景

19 世纪物理学家研究能量守恒原理的实验室。

能量守恒

一个基本原理，说明一个孤立系统的总能量随着时间的推移保持不变。能量既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式，例如从势能转化为动能。在经典力学中，对于只有保守力的系统，总机械能 [latex]E = T + V[/latex] 是守恒的。
热力学中测量不同温度下流体粘度的实验室装置。

粘度的温度依赖性

对于牛顿流体，粘度是温度和压力的函数，而非剪切速率的函数。在液体中，粘度会随着温度升高而显著降低，因为更高的热能使分子更容易克服分子间的内聚力。相反，在气体中，粘度会随着温度升高而增加，因为分子碰撞频率越高，速度越高，动量传递也越大。
利用热机装置演示热力学第一定律的实验室实验。.

热力学第一定律

第一定律是关于能量守恒的声明。它假定一个封闭系统的内能变化（[latex]\Delta U[/latex]）等于提供给系统的热量（[latex]Q[/latex]）减去系统对周围环境所做的功（[latex]W[/latex]）。支配方程为 [latex]\Delta U = Q - W[/latex]。这一定律将热、功和内能联系起来，将热确定为一种能量传递形式。.

化学平衡催化剂

19 世纪化学家测量气体体积，说明热力学中的理想气体定律。.

理想气体定律（摩尔形式）

理想气体定律是假设理想气体的状态方程，近似于许多气体在各种条件下的行为。摩尔形式通过通用气体常数（[latex]R[/latex]）将压强（[latex]P[/latex]）、体积（[latex]V[/latex]）、以摩尔为单位的物质的量（[latex]n[/latex]）和绝对温度（[latex]T[/latex]）联系起来：[latex]PV = nRT[/latex]。.
测量热力学中蒸汽压力和温度的实验室仪器。.

克劳修斯-克拉珀龙关系

克劳修斯-克拉皮隆关系描述了处于相变阶段的物质（如液体和蒸汽）的压力和温度之间的关系。对于水蒸气，它表明饱和蒸汽压随温度呈指数增长。近似形式为 [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex]，其中 L 为潜热。.
工业环境中的涡流制动系统，展示电磁学的应用。.

涡流（傅科叶的潮流）

涡流是根据法拉第定律，由变化的磁场在块体导体内感应出的电流环。它们在垂直于磁场的平面内以闭合环路流动。根据楞次定律，这些电流会产生自身的磁场，抵抗外部磁通量的变化，从而产生排斥力或阻力以及电阻加热。
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热力学中测量完全气体内能和焓的实验室仪器。.

理想气体的内能和焓

对于完全气体，内能（[latex]U[/latex]）和焓（[latex]H[/latex]）仅是温度的函数。它们的变化由 [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] 和 [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex] 给出，其中 [latex]c_v[/latex] 和 [latex]c_p[/latex] 分别是恒容和恒压下的比热，并假定为常数。.
研究人员在实验室测试合成聚合物的粘弹性能。

粘弹性

粘弹性是指材料在变形时同时表现出粘性和弹性的特性。粘性材料（例如蜂蜜）在施加应力时，能够抵抗剪切流，并且应变随时间呈线性变化。弹性材料（例如橡皮筋）在拉伸时会变形，一旦应力消除就会迅速恢复到原始状态。粘弹性材料兼具这两种特性。
科学家在老式实验室测量升华，热力学研究。

升华焓

升华焓（[latex]/Delta H_{/text{sub}}[/latex]）是在给定温度和压力下将一摩尔物质从固体转化为气体所需的热量。根据赫斯定律，由于焓是一种状态函数，因此这种能量变化是熔化焓（[latex]/Delta H_{/text{fus}}[/latex]）和汽化焓（[latex]/Delta H_{/text{vap}}[/latex]）之和。.
工程师在实验室设计高效热机，展示热力学应用。.

热力学第二定律

第二定律引入了熵的概念，并定义了自发过程的方向。它有多种表述方式，但一个关键结论是，孤立系统的总熵永远不会随时间减少。这条定律解释了“时间之箭”以及为什么过程不可逆，例如热量自发地从热物体流向冷物体。
说明完全气体模型热力学实验的实验室场景。.

完美的气体模型

完全气体是一种气体理论模型，其中忽略了分子间作用力，并假定比热容（[latex]C_P[/latex] 和 [latex]C_V[/latex]）随温度变化而恒定不变。这大大简化了热力学计算。它是理想气体的一种特殊情况，在理想气体中，比热会随温度变化，因此它是一种约束性更强的模型。.
19 世纪实验室场景，路德维希-玻尔兹曼正在研究统计热力学中的理想气体定律。.

理想气体定律（统计形式）

理想气体定律的统计力学公式用气体的微观特性来表达这种关系。它通过波尔兹曼常数（[latex]k_B[/latex]）将压力（[latex]P[/latex]）和体积（[latex]V[/latex]）与粒子总数（[latex]N[/latex]）和绝对温度（[latex]T[/latex]）联系起来：[latex]PV = Nk_BT[/latex]。.
演示热电中汤姆逊效应的载流导体实验。.

汤姆森效应

汤姆逊效应描述了载流导体在沿其长度方向存在温度梯度时的加热或冷却现象。当电流流经具有温度梯度的材料时，会产生或吸收热量。单位长度的产热率为 [latex]\frac{dQ}{dx} = -\mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex]，其中 [latex]\mathcal{K}[/latex] 为汤姆森系数。.
演示热力学中焦耳-汤姆森效应的实验室仪器。.

焦耳-汤姆逊效应

焦耳-汤姆逊（或焦耳-开尔文）效应描述的是实际气体在保持绝缘的情况下，被迫通过阀门或多孔塞（即等焓过程）时的温度变化。在给定压力下，气体具有反转温度。如果气体膨胀至低于该温度，则会冷却；如果气体膨胀至高于该温度，则会升温。这种冷却效应是现代制冷和液化技术的基石。

（如果日期未知或不相关，例如“流体力学”，则提供其显著出现的近似估计）

相关发明、创新和技术原理

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