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燃料电池电势的能斯特方程

1889

Walther Nernst

（图片仅供参考）

这内斯特方程量化了可逆性电动势 (电磁场) or open-circuit voltage of a 燃料电池 under non-standard conditions. It links the cell potential ([latex]E[/latex]) to its standard potential ([latex]E^0[/latex]), temperature, and the activities (approximated by partial pressures) of reactants and products. The equation is [latex]E = E^0 – \frac{RT}{nF} \ln Q[/latex], where Q is the reaction quotient.

The Nernst equation is a cornerstone of electrochemistry, derived from the relationship between the change in Gibbs free energy and the cell potential, [latex]\Delta G = -nFE[/latex]. In the equation [latex]E = E^0 – \frac{RT}{nF} \ln Q[/latex], [latex]R[/latex] is the universal gas constant, [latex]T[/latex] is the absolute temperature in Kelvin, [latex]n[/latex] is the number of moles of electrons transferred per mole of reaction, and [latex]F[/latex] is the Faraday constant (charge per mole of electrons). The reaction quotient [latex]Q[/latex] for a hydrogen-oxygen fuel cell ([latex]H_2 + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow H_2O[/latex]) is [latex]Q = \frac{p_{H_2O}}{p_{H_2} \cdot p_{O_2}^{1/2}}[/latex], where [latex]p[/latex] represents the partial pressures of the gaseous species.

该方程揭示了燃料电池行为的几个关键方面。首先，它表明电池电压随反应物分压（p_{H₂、p_{O₂）的升高而增加，随产物分压（p_{H₂O）的增加而降低。其次，它描述了理想电压的温度依赖性。虽然能斯特方程定义了理论最大电压，但由于不可逆损耗（称为过电位或极化），燃料电池的实际工作电压总是低于理论值。这些不可逆损耗源于反应动力学、内阻以及电流从电池流出后出现的传质限制。}}}

环境影响, 燃料电池, 氢, 热力学

UNESCO Nomenclature: 2203

- 物理化学

类型

抽象系统

中断

次金融

用法

广泛使用

前体

热力学定律，特别是吉布斯关于化学势的工作。
法拉第电解定律
化学平衡的概念和质量作用定律

应用程序

预测燃料电池在特定工作温度和压力下的最大可能电压
模拟燃料电池性能和反应物消耗引起的电压损失
设计高压燃料电池系统以提高电压和效率
电化学和电池科学的基础研究
离子选择性电极和pH计的校准

专利：

潜在创新理念

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相关术语：能斯特方程、电化学、电池电势、电压、吉布斯自由能、反应商、分压、热力学、瓦尔特·能斯特、开路电压。

历史背景

电磁动量

电磁场可以携带动量。电磁场的动量密度由波因廷矢量 [latex]\vec{S}[/latex] 除以光速平方得出，[latex]\vec{g} = \vec{S}/c^2 = (\vec{E} \times \vec{B})/(\mu_0 c^2)[/latex].要使带电粒子和场系统中的动量守恒，场的动量必须与粒子的机械动量一起包含在内。.

马赫数和压缩性

马赫数（M）是一个无量纲量，表示流过边界的流速与当地声速的比值：[latex]M = v/a[/latex]，其中 v 是流速，a 是声速。它是压缩性效应的主要指标。当马赫数接近或超过 1 时，空气密度会发生显著变化，从而改变空气动力。

交流感应电机

交流感应电动机的工作原理是定子产生旋转磁场。该磁场是通过向空间分布的定子绕组提供多相交流电流产生的。旋转磁场在转子导体（例如鼠笼式）中感应出电流，从而产生反向磁场。这些磁场之间的相互作用产生了旋转扭矩。

燃料电池电势的能斯特方程

运动电动势

导体在磁场中运动时会产生运动电磁场。洛伦兹力的磁分量 [latex]\mathbf{F} = q(\mathbf{v} \times\mathbf{B})[/latex] 作用于导体内的电荷载流子，使它们移动并产生电荷分离。这种分离产生了电场和电位差。由此产生的电磁场由线积分 [latex]\mathcal{E} = \oint (\mathbf{v} \times \mathbf{B}) \cdot d\mathbf{l}[/latex] 给出。

LLE 中的分配比率

分布比（D）是液液萃取（LLE）中的一个关键平衡参数，定义为有机相中溶质的总分析浓度除以其在水相中的总浓度。[latex]D = \frac{[S]_{org,total}}{[S]_{aq,total}}[/latex].与分配系数（K_D）不同，D 考虑了溶质的所有种类，包括离解或络合形式，因此它与 pH 值有关。.

汉普森-林德循环

汉普森-林德循环利用焦耳-汤姆逊效应和再生冷却技术，将空气等气体液化。高压气体在逆流式热交换器中被从膨胀阀返回的低温低压气体冷却。这逐渐降低阀门处的温度，直至降至临界点以下，开始液化，这构成了现代气体液化工业的基础。

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勒夏特列的动态平衡原理

勒夏特列原理指出，如果动态平衡因条件变化而受到干扰，平衡位置会移动以抵消这种变化。该原理也称为平衡定律，预测浓度、温度或压力变化对平衡化学体系的定性影响。它有助于理解可逆反应如何响应外部应力。

剪切增稠（膨胀）

剪切增稠，或称膨胀性，是一种非牛顿行为，其粘度随剪切应力的增大而增大。一个典型的例子是玉米淀粉在水中的悬浮液（欧不裂），缓慢搅拌时感觉像液体，但快速敲击或搅拌时几乎变成固体。这种现象是由于悬浮颗粒在高剪切作用下相互堵塞造成的。

理想溶液的拉乌尔特定律

拉乌尔定律指出，理想液体混合物中各组分的分蒸汽压等于纯组分的蒸汽压乘以其在液体混合物中的摩尔分数。计算公式为 [latex]P_i = P_i^* x_i[/latex]，其中 [latex]P_i[/latex] 是组分的分压，[latex]P_i^*[/latex] 是其纯蒸汽压，[latex]x_i[/latex] 是其摩尔分数。.

能斯特方程

内斯特方程将半电池的还原电位（或电化学电池的总电压）与标准电极电位、温度和发生氧化还原反应的化学物质的活度（通常用浓度近似表示）联系起来。等式为 [latex]E = E^{\circ} - \frac{RT}{nF}\ln Q[/latex]，其中 Q 是反应商。

化学电动势

在电池和燃料电池等电化学电池中，电磁场是由化学反应产生的。电荷分离是由两个不同电极上发生的氧化和还原反应驱动的。电池的最大电磁场与反应的吉布斯自由能变化（[latex]/Delta G[/latex]）的关系为 [latex]\mathcal{E} = -\frac\{Delta G}{nF}[/latex]，其中 [latex]n[/latex] 为电子摩尔数，[latex]F[/latex] 为法拉第常数。

化学发光

化学发光（或称化学发光）是指化学反应产生的光（发光）。在反应过程中会形成一个激发态中间体，用[产物]*表示（注意星号常用于此）。然后，该中间态衰变为能量较低的基态，以光子的形式释放能量。整个过程可以表示为 [latex]A + B \rightarrow [Product]* \rightarrow Product + light[/latex]。.