等效平衡教案和练习

等效平衡教案和练习（共3篇）

等效平衡教案和练习 篇1

常见盐类水解应用17例

盐类水解是中学化学教学中的重点和难点。也是近年来高考的热点之一。但是同学们在实际应用中却往往不知何时考虑有关盐类水解。现将有关常见的盐类水解问题归纳如下：

(1)判断盐溶液的酸碱性时应考虑盐类水解,强酸弱碱盐溶液水解显酸性,强碱弱酸盐水解显 碱性.弱酸弱碱盐溶液的酸碱性要分析二者的水解程度,溶液可能显酸性碱性或者是中性。.(2)判断离子共存问题时应考虑盐类水解：弱碱的阳离子（如Al3+、Cu2+、Fe3+、NH4+等）与弱酸的酸根（如HCO3-、CO32-、AlO2-、F-等）在溶液中不能同时大量共存。因为两种离子都水解，分别和水电离出的H+、OH-结合互相促进水解，使两种离子数目减少。(3)根据盐溶液的PH判断相应酸的相对强弱时应考虑盐类水解：如物质的量浓度相同的三种钠盐NaX、NaY、NaZ的PH依次为7、8、9，则相应的酸HX、HY、HZ的相对强弱为HX?HY?HZ（酸越弱，其强碱盐就越易水解，故溶液的碱性就越强）。

(4)比较溶液中离子浓度的相对大小时应考虑盐类水解：如Na3PO4晶体中Na+和PO43-的物质的量之比为3：1，在其溶液中PO43-水解，则[Na+]：[PO43-]?3：1。

(5)比较溶液中离子种类多少时应考虑盐类水解：如Na2S、Na2CO3、Na3PO4的溶液中哪种溶液中含阴离子种类最多？因为三种酸根均要水解，且Na3PO4的溶液中含有的阴离子种类最多。

(6)强酸弱碱盐、强碱弱酸盐的配制时应考虑盐类水解：如实验室配置FeCl3溶液，由于FeCl3溶于水要发生水解反应：Fe3++3H2O Fe(OH)3+3H+，因此为了抑制其水解保持溶液澄清，是将盐先溶解于稀盐酸中，再加水稀释。同样的方法可配置CuSO4溶液等。

(7)中和滴定指示剂的选择时应考虑盐类水解：若用强碱滴定弱酸，反应达到终点后，因生成强碱弱酸盐溶液显碱性，所以选择在碱性范围内变色的指示剂----酚酞。若用强酸滴定弱碱，反应达到终点后，溶液显酸性，故要选择在酸性范围内变色的指示剂----甲基橙。(8)部分活泼金属和盐溶液的反应时应考虑盐类水解：如Mg条在常温下与水无明显反应，但是放入氯化铵(CuSO4)溶液中有气体产生。（因为氯化铵发生水解产生较多的H+）。(9)强酸弱碱盐与强碱弱酸盐混合时应考虑盐类水解：如果有难溶于水的物质生成,则发生完全双水解(如.AlCl3和Na2CO3溶液混合：2Al3++3CO32-+3H2O==2Al(OH)3↓+3CO2↑)如果没有难溶于水的物质生成则发生不完全水解.(NH4Cl和CH3COONa溶液混合H2O+ NH4++CH3COO-CH3COOH+NH3·H2O。

(10)弱酸弱碱盐的制取时应考虑盐类水解：由于弱酸弱碱盐强烈的水解，因此对应的溶液的制备不能溶液之间的反应得到，如Al2S3的制取，若在溶液中则会双水解生成Al(OH)3和H2S。

(11)加热蒸干溶液后产物的判断时应考虑盐类水解：在加热时会促进盐类的水解。加热蒸干Al2(SO4)3[Fe2(SO4)

3、KAl(SO4)

2、CuSO4]溶液和碳酸钠[Na3PO4、Na2SiO3]溶液得到原溶质（因为它们水解的产物会重新反应生成原物质）。加热AlCl3（Al(NO3)3）溶液因为水解产物之一为挥发性物质,便得另一种水解产物,此时要考虑得到的该水解产物的热稳定性。加热蒸干FeSO4溶液时，溶液中的Fe2+被氧化生成Fe3+，而Fe3+水解生成Fe(OH)3,等物质的量的Fe(OH)3,不能硫酸中和,故最后的产物为Fe2(SO4)3和Fe2O3的混合物.(12)强酸弱碱盐、强碱弱酸盐的保存时应考虑盐类水解：如，碳酸钠溶液不能储存在玻璃瓶塞

(13)热纯碱的去污原理时应考虑盐类水解：加热可以使CO32-水解程度增大，因而使溶液碱性增强，去污能力增强。

(14)净水剂的净水原理时应考虑盐类水解：明矾净水是因为明矾在水中发生如下水解：Al3++3H2O Al(OH)3+3H+,生成的Al(OH)3胶体有较强的吸附性，可以吸附杂质。（氯化铁溶液的净水及止血的原理同上）。

(15)泡末灭火器的灭火原理时应考虑盐类水解：泡末灭火器内装的是饱和硫酸铝溶液和碳酸氢钠溶液。它们分别装在不同容器中，各自存在下列水解平衡：Al3++3H2O Al(OH)3+3H+；HCO3-+H2O H2CO3+OH-当两种溶液混合时，相互促进水解使生成大量的H2CO3分解产生CO2使灭火器内的压强增大，CO2、H2O、Al(OH)3一起喷出覆盖在着火物质上使火焰熄灭。

(16)肥料的使用时应考虑盐类水解：长期使用(NH4)2SO­4的土壤因NH4+的水解使土壤的酸性增强;另外草木灰（K2CO3）和氨态氮肥（硝酸铵）混用，由于CO32-和NH4+的水解相互促进，使NH4+变为NH3降低氮肥的肥效；同样草木灰（K2CO3）和过磷酸钙混用会降低磷肥的肥效。

(17)物质鉴别：例如用简单的方法区别NaCl、NH4Cl、Na2CO3三种溶液。可以根据盐类水解后溶液的酸碱性的不同，即通过测定等浓度三种溶液的pH或用紫色石蕊进行检测。同样NH4Cl用于焊接金属是因为它能够水解产生HCl从而达到除去焊接金属表面的氧化物的目的。

等效平衡教案和练习 篇2

目前, 纯电动汽车产业化还面临技术不成熟、关键部件成本过高等问题, 混合动力汽车可作为其替代产品实现节能减排的目标。目前全球各大汽车集团已经研发且批量生产了数款混合动力汽车, 譬如丰田Prius混联式混合动力汽车, 本田Insight并联式混合动力汽车, 福特Escape混合动力汽车等。为了实现更佳的燃油效率和尾气排放特性, 高等院校、公司及研究机构开始研究配备了大容量电池和外部充电接口的插入式混合动力汽车。截止目前, 已有数款插入式 (plug-in) 混合动力汽车面世, 包括通用Volt串联式插入式混合动力汽车、福特Escape插入式混合动力汽车、丰田Prius插入式混合动力汽车等。相比较于普通混合动力汽车, 插入式混合动力汽车具有如下几方面特点:①能减少汽油或其他液体燃料的消耗量;②能实现纯电动驱动, 显著减少尾气排放量;③汽车充电功能能提升电网的效率。

从20世纪90年代末期至今, 在混合动力汽车研究领域已有大量的文献出版, 这些文献主要关注于动力系统设计、部件选型及参数优化配置、转矩分配策略、控制系统设计等[1,2,3], 而对插入式混合动力汽车的研究相对较少。插入式混合动力汽车的研究可追溯到2005年, 当年丰田公司在日本发布了全球第一款具备外部充电功能、部分实现纯电动行驶的插入式混合动力概念车。之后, Rousseau等[4]基于不可导矩阵优化算法对插入式混合动力汽车控制参数进行了优化。Wu等[5]基于粒子群算法对插入式混合动力汽车控制参数进行了优化。Carlson等[6]对三款插入式混合动力汽车 (Renault Kangoo、Hymotion Prius和EnergyCS Priu) 进行了油耗、排放、电能消耗量的比较分析。Cao等[7]利用PSAT专业软件对插入式混合动力汽车Hymotion Prius进行了模型验证, 并改进了发动机开关频率和工作状况。Karbowski等[8]采用基于全局优化的Bellman原理对插入式混合动力汽车的能量流进行了优化。Rousseau等[9]基于标准工况对电机/电池参数进行了优化匹配, 并且研究了不同行驶工况对电池系统带来的影响。学者在插入式混合动力汽车的能量分配策略[10]上开展了相应的研究工作并取得了一系列的研究成果。

本文建立了plug-in并联式混合动力汽车动力系统的数学模型, 对离合器、同步器、电机、发动机以及液压油路系统的动态特性和控制过程进行了详细的建模。针对所提出的plug-in动力系统结构, 进行了混合动力系统包括CD (charge deplete) 和CS (charge sustain) 模式的实时控制策略的开发和验证。结果表明, 所提出的控制策略能实时决定动力系统运行模式, 动态设定发动机、电机优化转矩值, 提高系统工作效率。

1 混合动力汽车建模

笔者所设计的plug-in并联式混合动力汽车动力系统连接结构如图1所示, 发动机与电机分别通过C1离合器和C2离合器连接到转矩耦合器。动力系统中配置了大容量的锂电池, 可以用来储存发动机多余能量、制动能量或者作为电机的动力源。

并联式plug-in混合动力汽车控制系统结构如图2所示。建模总体思路为:从驾驶员模块得到油门踏板信号和制动踏板信号, 并将信号输入到混合动力控制单元 (HCU) 中, HCU计算整车总需求转矩, 综合电池SOC值, 电机、发动机工作状态及能力, 决定系统运行模式, 优化分配总需求转矩, 最终发送转矩指令等一系列控制指令给发动机控制器 (EMS) 、电机控制器 (MCU) 、电池管理系统 (BMS) 以及变速箱液压系统中压力/流量阀。

转矩最终输出到变速箱输出轴上, 并驱动车辆前进/后退, 得到的转速反馈回变速箱输出轴, 进而到C1离合器右盘和 C2离合器右盘, 可得到当前与C1离合器左盘相连的发动机转速以及与C2离合器左盘相连的电机转速。

驾驶员模块中输入量为需求车速vreq和实际车速vact, 经过PI控制器得到的输出量为油门踏板信号ρacc和制动踏板信号ρbrk, 且

式中, GP、GI分别为PID控制器P、I参数值。

发动机模块接收来自HCU的发动机转矩指令和开关指令, 得到发动机输出轴到输入轴的指示扭矩、发动机转速、油耗率、排放等参数, 且

ωe (t) =ωc1_left (t) +∫ (τe_brk (t) /Je) dt (2)

τe_indi (t) =τe_brk (t) +τe_fric (t) (3)

∫Fc (t) dt=∫Fc (ωe (t) , τe_brk (t) ) dt (4)

式中, τe_brk、τe_fric、τe_indi分别为发动机制动转矩、发动机摩擦转矩、发动机指示转矩;ωc1_left、ωe分别为C1离合器左盘速度、发动机实际转速;Je、Fc分别为发动机转动惯量、发动机油耗率。

电机模块接收来自HCU的电机工作模式指令、转矩指令/转速指令以及来自电池BMS的电压值, 得到电机运行的实际转矩值及转速值, 并通过查电机发电/电动效率表得到电池模块的充电/放电电流值ibat (t) , 即

ωm_act (t) =ωc2_left (t) +∫ (τm_act (t) /Jm) dt (5)

$i{}_{\text{b}\text{a}\text{t}}(t)=\frac{\omega {}_{\text{m}\_\text{a}\text{c}\text{t}}(t)\tau {}_{\text{m}\_\text{a}\text{c}\text{t}}(t)}{V{}_{\text{b}\text{a}\text{t}}(t)\eta {}_{\text{m}}(\omega {}_{\text{m}\_\text{a}\text{c}\text{t}}(t)\tau {}_{\text{m}\_\text{a}\text{c}\text{t}}(t)){}^n}$ (6)

式中, ωc2_left为C2离合器左盘转速;Vbat (t) 为电池端电压;ωm_act为电机实际转速;τm_act、ηm分别为电机实际转矩和电机工作效率;Jm为电机转动惯量;n为电机工作模式, n=1时为电动, n=-1时为发电。

电池模块主要根据电机模块中输出的实时电流值计算电池SOC值, 即

S (t) =Sinit+$\frac{{\displaystyle \int -}i{}_{\text{b}\text{a}\text{t}}(t)\text{d}t}{S{}_{\max }}$ (7)

uoc (t) =uoc (S (t) , temp (t) ) (8)

rbat (t) =rbat (S (t) , temp (t) ) (9)

Vbat (t) =uoc (t) -rbat (t) ibat (t) (10)

式中, S (t) 为电池SOC值;temp (t) 为与时间相关的函数;ibat为电池充/放电电流;uoc、rbat分别为电池开路电压和电池内阻值;Smax为电池最大电量值。

离合器模块:

式中, τc1_capa、τc2_capa分别为C1、C2离合器转矩传输能力;Jc1_left、Jc2_left分别为C1、C2离合器左盘转动惯量;ωc1_right、ωc2_right分别为C1、C2离合器右盘转速。

所设计的系统C1离合器常开, C2离合器常闭。τc1_capa和τc2_capa与离合器摩擦片数目、静/动摩擦因子以及摩擦片上正向压力成线性关系, 其中摩擦片上压力与电磁阀电流指令信号相关。应保证发动机或电机输出的转矩值小于等于C1/C2离合器的最大转矩传输能力, 从而防止离合器出现打滑磨损。

最终计算车速公式如下:

$\begin{array}{l}m{}_{\text{v}\text{e}\text{h}}\dot{v}{}_{\text{v}\text{e}\text{h}}(t)=(\tau {}_{\text{e}\_\text{b}\text{r}\text{k}}(t)+\tau {}_{\text{m}\_\text{a}\text{c}\text{t}}(t))\cdot \\ \text{ϑ}{}_{\text{g}\text{e}\text{a}\text{r}}(t)/r{}_{\text{t}\text{i}\text{r}\text{e}}-f{}_{\text{r}}m{}_{\text{v}\text{e}\text{h}}g+0.5\alpha C{}_{\text{d}}Av{}_{\text{v}\text{e}\text{h}}^2(t)(13)\end{array}$

式中, mveh、rtire分别为整车质量和车轮半径;vveh为车速;fr、α分别为转动阻力系数和空气密度;ϑgear (t) 为传动系统的速比;Cd为空气动力学阻力系数;A为汽车迎风面面积。

2 控制策略

2.1 系统状态

根据动力系统不同连接结构, 并联式混合动力汽车主要可分为3种工作模式:纯电动模式、并联式驱动模式、纯发动机模式。

纯电动模式过渡到并联式模式需要经过发动机点火启动、结合C1离合器两个瞬态模式。模式切换条件定义为

τis (t) >τm_max (ωm_act (t) , S (t) , temp (t) ) (14)

τis (t) >τev2para (vact (t) ) (15)

S (t) <Slow (16)

式中, τis为变速箱输入轴端转矩需求;τm_max为驱动电机的峰值转矩;τev2para为纯电动切换到并联模式的临界转矩;Slow为启动发动机的最低SOC值。

并联式模式经过C2离合器打开瞬态模式, 可进入纯发动机模式。纯发动机模式与传统车类似, 主要是考虑在车辆高速行驶且输入轴转矩需求较低时脱离电机, 有利于提高整车工作效率。模式切换条件定义为

τis (t) <τpar2ice (vveh (t) ) (17)

vveh (t) >vveh_par2ice (18)

式中, τpar2ice为并联模式切换到纯发动机模式的临界转矩;vveh_par2ice为并联模式切换到纯发动机模式的最低车速。

2.2 工作模式

plug-in混合动力汽车的控制策略, 可根据电池SOC值分为两种主要工作模式:CD模式和CS模式。为了延长plug-in混动车的纯电动行驶里程 (all electric range, AER) , 同时兼顾电池使用寿命等相关问题, 设计的工作模式切换策略如下:

上述CD/CS模式切换策略考虑了滞环比较, 其中SCD_low_limit参数比SCD_high_limit略小。SCD_low_limit参数值的设定决定了CD模式工作的电池SOC区间, 即决定了纯电动行驶能力。

CD模式和CS模式工作侧重点有所不同:在CD模式下, 在满足车辆动力性的前提下尽可能使用电机驱动, 从而实现更长的AER和零排放;在CS模式下, 主要考虑提高车辆工作效率, 维持电池SOC在窄窗口波动。

2.2.1 CD模式控制策略

CD模式采用的最大用电策略规则定义如下:①若输入轴端需求转矩大于当前电机实际转速和电池SOC下的电机最大转矩, 则电机转矩指令为当前状态下电机最大输出转矩, 余下差额部分由发动机补偿。②输入轴端需求转矩介于零与当前电机最大转矩之间。如果发动机处于当前的工作状态时间已达到要求的最小值或发动机已处于断油关停状态, 则电机转矩指令为当前输入轴端需求转矩, 发动机转矩指令为零。否则维持发动机转矩工作于一较小标定值, 电机转矩需求指令为余下部分。③输入轴端需求转矩小于零。如果发动机处于当前的工作状态时间已达到最小值或发动机已处于断油关停状态, 则电机转矩指令为当前输入轴端需求转矩, 发动机转矩指令为零。否则维持发动机转矩工作于一较小标定值, 电机转矩需求指令为输入轴需求转矩与发动机当前输出转矩之和。

2.2.2 CS模式控制策略

CS模式下采用效率优先策略, 具体如下:根据油门踏板信号和制动踏板信号, 查表并计算得到当前变速箱输入轴端转矩需求。按照当前系统连接状态, 在纯电动/纯发动机状态下分别让电机/发动机单独实现输入轴端转矩需求。在并联式驱动状态时, 动力系统并入的转矩源有发动机和电机, 因此需制订合理的转矩分配策略实现系统效率最优、SOC窄窗口维持等指标。

图3所示为CS模式并联式驱动下效率优先控制策略框图, 其中, τis_slow为变速箱输入轴转矩需求低频部分;τis_fast为变速箱输入轴转矩需求高频部分;τe_op为发动机优化所需求的转矩值;τm_op为电机优化所需求的转矩值;τe_req为发动机转矩指令;τm_req为电机转矩指令;τe_brk_max为发动机最大输出转矩值;τm_mot_max为电机最大电动转矩值;τm_gen_max为电机最大发电转矩值。

输入轴端需求转矩经过一阶滤波, 可分解为快速转矩需求和慢速转矩需求两部分, 即

τis=τis_fast+τis_slow (19)

其中快速转矩需求部分全部由电机承担, 慢速转矩需求部分需要在发动机和电机间进行分配。转矩优化模块见图4。

图4中, τe_op_mot为电动状态下发动机优化需求转矩值;τm_op_mot为电动状态下电机优化需求转矩值;τe_op_gen 为发电状态下发动机优化需求转矩值;τm_op_gen为发电状态下电机优化需求转矩值。

定义等效制动油耗率 (brake specific fuel consumption, BSFC) 为b*:

$b{}^{*}=b\frac{p{}_{\text{e}}}{p{}_{\text{t}}}$

式中, b为制动油耗率。

电机处于电动模式时:

$b{}_{\text{m}\text{o}\text{t}}^{*}=b\frac{\text{τ}{}_{is}-\Delta \text{τ}{}_{mot}}{\text{τ}{}_{is}}$ (20)

电机处于发电模式时:

令

$\frac{\partial b{}_{\text{m}\text{o}\text{t}}^{*}}{\partial \tau {}_{\text{e}}}=0\frac{\partial b{}_{\text{r}\text{e}\text{g}}^{*}}{\partial \tau {}_{\text{e}}}=0$

式中, pe、pt分别为发动机功率和总功率;Δτmot、Δτgen分别为电机电动转矩值和电机发电转矩值;η为电机发电效率。

根据上述算法可得到电机分别处于电动和发电状态下时发动机的优化转矩点τe_op_mot、τe_op_reg , 则

τm_op_mot=Δτmot=τis-τe_op_mot (22)

τm_op_gen=-Δτgen=τis-τe_op_reg (23)

通过遍历发动机BSFC曲线以及电机效率曲线各点, 可以得到电动模式和发电模式下以发动机转速和输入轴需求转矩为输入量, 发动机/电机优化工作点为输出量的转矩优化表。综上所述, 根据发动机BSFC, 电机充/放电效率曲线, 对每个转速和转矩需求进行处理, 能得到兼顾发动机和电机系统优化的发动机目标优化工作点。即

τe_opt=τe_opt (τis_slow, ωe) (24)

模式判别模块根据当前电池BMS反馈回来的电池SOC值作滞环处理, 选定采用发电模式或电动模式的转矩优化分配值, 维持电池SOC稳定。SOC平衡模块 (图3) 主要实现的功能是:当SOC值低于目标SOC值时, 则在发动机当前优化工作点上加上一额外的用于充电的充电扭矩;当SOC值高于目标SOC值时, 则在发动机当前优化工作点上减去一额外的用于放电的放电扭矩。控制算法中设计了一以SOC实际值与SOC目标值差值为输入量、额外扭矩为输出量的PI控制器, 确保电池SOC值在窄范围内波动。

3 结果分析

将基于等效BSFC和电池SOC平衡的分段式plug-in混合动力汽车能量分配策略集成到所搭建的混合动力系统整车模型中, 选用UDDS以及NEDC工况进行对比分析。整车及关键动力系统部件技术参数见表1。

图5～图7给出了一个UDDS工况下, 电池初始SOC值为80%时动力系统工作状态。当前处于CD模式, 能量分配策略采用最大用电策略。反馈的实际车速能够与目标车速相吻合, 加速、减速等动力性能得到满足。

图8～图13为初始电池SOC值为30%, 按照UDDS工况得到的动力系统参数工作状态。按照CD和CS模式切换定义, SOC值小于30%即进入CS模式, 当SOC值大于25%, 若单独电机驱动能满足系统动力需求, 则系统处于纯电动驱动状态, 相应可见电池SOC值下降速率较快 (图8) 。当电池SOC值到达25%, 则触发纯电动到并联驱动的模式切换, 保持C2结合的同时结合C1。此时需维持电池稳定于25%的窄窗口 (图8) , 发动机开启频率明显加强 (图10) , 电机和发动机的转矩指令根据上文所提出的优化算法进行设定 (图11、图12) 。

图13、图14所示为UDDS工况下电池SOC值变化、发动机开关状态变化以及发动机油耗值曲线。由图可见, 电池SOC值在CD模式下迅速下降, 发动机开启占比时间较短, 电机作为主要驱动力;当电池SOC值降到一定值时, 发动机开启频率增加, 电池SOC值能维持稳定在目标水平, 此时发动机作为主要驱动力, 控制策略采用效率优化进行转矩的分配。

分别用连续5个UDDS工况和NEDC工况进行了控制策略的比较分析 (表2) 。两种工况下, 电池起始SOC值都为92%, 电池最终SOC值都能维持在25%附近。百公里电耗一项, NEDC比UDDS高, 是由于5个NEDC工况下, 行车里程较短且NEDC功率需求较UDDS功率需求低, 在所设计的控制策略中发动机并入的机会较少, 因此电机驱动所消耗的电能较多。百公里油耗一项, NEDC比UDDS小, 是由于5个NEDC工况下整车处于CS模式且是并联式驱动的, 时间较短, 发动机开启总的占比较低。与采用最小油耗控制策略的相同动力系统及参数的基准车相比, 能实现百公里油耗下降10.95%, 百公里电耗增加6.73%。

4 结论

(1) 最大用电策略能保证plug-in混合动力汽车纯电动行驶里程较长, 有益于减少城市工况下车辆尾气排放量。

(2) 效率优先策略能在所有可能的电池SOC值和输入轴需求转矩值组合下进行优化转矩的分配计算, 实现动力系统整体的效率优化, 提升整车燃油经济性。

(3) 实现了近似优化的转矩最佳分配算法的在线应用, 查表速度快, 无繁重的计算任务, 从而克服了以往优化算法只能实现离线优化计算而不能在线实时应用的弊端。

摘要：基于所提出的插入式并联混合动力汽车系统结构, 对整车动力/传动系统 (包括发动机、电机、电池、离合器、变速箱等子系统) 进行了动态精确建模, 模拟了行车换挡过程中同步器切换、离合器接合/分离等瞬态过程。根据电池SOC值分段采用最大用电策略或效率优先策略, 提出了基于等效BSFC和电池SOC平衡的分段式能量分配策略, 兼顾了发动机BSFC和电机充/放电效率, 实现了系统在当前转速和输入轴需求转矩下的最佳转矩分配。结果表明, 所提出的能量分配策略在不牺牲汽车各项性能的前提下, 提高了动力系统工作效率和整车燃油经济性。

关键词：混合动力汽车,等效BSFC,分段控制,转矩分配

参考文献

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[9]Rousseau A P.Impact of Real-world Drive Cycles on PHEV Battery Requirements[C]//SAE World Congress&Exhibition.Detroit, 2009:2009-01-1383.

等效平衡教学新视角 篇3

一、等效平衡思想的建立

例1把晶体N2O4放入一固定容积的密闭容器中气化,并建立(g)平衡,维持温度,再通入等量N2O4,反应再次达到平衡.则新平衡的与原平衡比较,其比值()

(A)变大(B)变小

(C)不变(D)无法确定

分析:据勒夏特列原理分析c(NO2)、c(N2O4)都增大,问题难以解决.

模型的建立:设原来有单位1 mol N2O4在VL容器中建立平衡状态,在完全相同的条件下,在VL容器中新加入单位1 mol N2O4也建立平衡状态,两个状态应该完全相同.然后抽掉隔板,加压,把两个容器中的物质压缩到一个容器中去.如图1所示:

而对于N2O4 (g)2NO2 (g),抽掉隔板前后,平衡状态没有改变.然后再加压,平衡逆向移动,所以变小.正确答案为(B).

等效平衡状态的定义:它指的是在相同条件下,化学平衡状念的建立与反应途径无关,即不论可逆反应是从正方向开始,还是从逆方向开始,抑或从中间状态开始,只要起始所投入的物质的物质的量相当,则可达到同一平衡状态.

值得注意的是,通常认为只要平衡没有发生移动,我们就认为两个平衡状态是等效平衡状态.所以等效平衡状态各组分的百分含量一定相同,但各组分的物质的量、浓度可能不同.

等效平衡思想的建立:该思想的实质可以看为一种等价转化的数学思想的应用.创造一个和原来一模一样的化学平衡状态,然后通过改变外界因素(体积或者压强),达到新的平衡状态,再依据勒夏特列原理分析在这两个状态移动过程中的变化即可解决问题.

等效平衡解决问题的途径或者说其平衡移动的过程是虚拟的,只是提供了一种解决问题的方法而已,这也正是基于平衡状态的建立与过程无关的特点.

二、概念的理解

例2 (母题)在一个固定体积的密闭容器中,加入2 mol A和1 mol B,发生反应2A(g)+B(g)3C(g)+D(g),达到平衡时,C的百分含量为w%.若维持容器体积和温度不变,按下列四种配比作为起始物质,达到平衡后,C的百分含量仍为w%的是()

(A) 3 mol C+1 mol D

(B) 4 mol A+2 mol B

(C) 2 mol A+1 mol B+3 mol C+1 mol D

(D) 1 mol A+0.5 mol B+1.5 mol C+0.5 mol D

(E) 3 mol C+1 mol D+1 mol A

分析:A、D经转化后与题给投料2 mol A和1 mol B完全相当,B、C如图2分析.

答案:(A)、(D).

变化一、将固定体积改为压强不变,上述情况的选项为______.

分析:A、D转化后完全同题给投料2 mol A和1 mol B,B、C如图3分析,相当于两个“盒子”并起来不加压,平衡当然不移动,所以选(A)、(B)、(C)、(D).

变化二、将例2中的D(g)改为D(s),保持体积不变,C的百分含量仍为w%的是()

分析:A、D经转化后与题给投料2 mol A和1 mol B完全相当,B、C如图4分析.

加压平衡不移动.答案:(A)、(B)、(C)、(D).

变化三、将例1中的D(g)改为D(s),保持压强不变,要使平衡后C的百分含量仍为w%的是()

分析:A、D转化后完全同题给投料2 mol A和1 mol B,B、C如图5分析,相当于两个“盒子”并起来不加压,平衡不移动,所以选(A)、(B)、(C)、(D).

综上,等效平衡思想在理解和应用中的要点主要有:

1. 思路总结和解题步骤

(1)进行等效转化:注意一个“同”字,即在同一条件下,化学平衡状态的建立与反应途径无关.不论可逆反应是从正方向开始,还是从逆方向开始,或从正、逆双向开始,只要起始所投入物质的量相同(或转化后相同),就可以达到相同的平衡状态.

(2)观察投料特点:等效转化后各物质的浓度(物质的量、质量)相同或成比例才可以用等效平衡的思路.也就是要寻找新的投料状况和原来投料状况的关系,是否能找出相同或者成比例的用量关系很重要.

(3)数学模型的建立:根据投料特点,决定创造几个一模一样的“盒子”,根据具体条件讨论是否考虑压强的因素.

(4)根据勒夏特列原理得出结论.

2. 等效平衡的类型归类

据化学方程式特点和外界条件,等效平衡主要分以下的几种情况:

(1)对于反应前后气体体积发生变化的反应来说:

①同T同V下,等效转化后,对应各物质起始投料的物质的量均相同.

②同T同p下,等效转化后,对应各物质起始投料的物质的量成比例.

(2)对于反应前后气体体积没有变化的反应来说:不论同T、V,还是T、p下,等效转化后,对应各物质起始投料的物质的量成比例.

若延伸一下,大家可以思考变化四,若维持容器体积和温度不变,按下列四种配比作为起始物质,达到平衡后,C的物质的量浓度仍为wmol/L时该如何解答.当然你会发现若将问题改为:维持容器体积和温度不变,按下列四种配比作为起始物质,达到平衡后,C的物质的量仍为w mol的是问题的答案又会产生新的变化.