燃料电池热力学（一）

热力学是研究能量与能量转换的科学，可以用于判断一个反应是否能自发地发生，即反应发生的可能性问题。研究热力学颗粒理解燃料的化学能如何转化为电能，计算燃料电池的各个理论参数。

热力学第一定律

内能（U）

燃料中能够被转化为其他形式能量的能量，是燃料所包含的总能量；

1. 与分子运动、原子或分子间相互作用、化学键相关；

2. 燃料电池能将一部分内能转化为电能。

热力学第一定律

能量既不可能凭空产生，也不可能凭空消失，只能在不同形式的能量之间相互转化

系统所损失的能量必定转移动环境中，系统增加的能量必定从环境中所获得；

系统与环境之间能量可以通过传热和做功两种方式进行传递，所以有：

也就是封闭系统内能的变化等于系统吸收的热量减去对外做的功

功(W)和热(Q)

与内能不同，功和热不是物质的一种属性，而是传递过程中的能量，可以理解为传递过程中的能量或者能量的传递方式；

功是“高贵”能量，是万能的供体，如果能量以功的形式存在，能100%转化为别的能量；

热是“低贱”的能量，是万能的受体，任何能量都能100%地转化为热，但热不能100%转化为其他能量；

从功和热的角度理解内燃机与燃料电池的区别：内燃机消耗燃料产生热量，再把热量转化为功，中间有一部分能量不可避免被浪费，这称为“热瓶颈”；燃料电池无需热量转化过程，因此不存在热瓶颈问题

热力学第二定律

熵（S）

物质的一种属性，由系统可能存在的微观状态数决定；可以用于评价一个系统的混乱程度；熵的统计热力学表达式是：

其中k是玻尔兹曼常数，k=1.380649 × 10^-23 J/K；Ω是系统的微观状态数。系统越混乱，微观状态数越多；系统越有序，微观状态数越少；

对于一个恒温恒压的系统，熵定义为可逆过程下系统传递热量与温度的比值

这个公式是熵的经典热力学表达式

若过程不可逆，则有：

结合在一起，则有：

 

这个就是克劳修斯不等式，是热力学第二定律的经典表达式

热力学第二定律

克劳修斯表述：热量不可能自发地从低温物体转移动高温物体而不产生其他变化；

开尔文表述：不可能从单一热源取热使之完全转变为功而不产生其他变化；

熵增原理：不可逆热力过程中熵的增量总是大于零；

自然界中，系统及其环境的总熵在任何过程中不会减小 ，即

热力学势

 

 

内能（U）：表示系统内部所包含的能量，可以理解为建立一个系统所需要的全部能量；

焓（H）：可以理解为建立一个系统所需要的全部能量+为系统创造相应空间所需要的功；

吉布斯自由能（G）：可以理解为建立一个系统所需要的全部能量+为系统创造相应空间所需要的功-系统环境通过自发传热提供的能量；

亥姆霍兹自由能（A）：可以理解为建立一个系统所需要的全部能量-系统环境自发传热提供的能量。