物理化学甲气体省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

Chapter1ThepVT PropertiesofGases1-0.Introduion物质聚集状态物质聚集状态:气态气态gas,g液态液态liquid,l固态固态solid,s流体流体,flowliquid,fl凝聚态凝聚态,CondensedMatter对于纯物质，通常只有一个气体和一个液体，但对于固态能够对于纯物质，通常只有一个气体和一个液体，但对于固态能够有一个以上，如硫：单斜晶体和正交晶体，冰有有一个以上，如硫：单斜晶体和正交晶体，冰有6种晶型。种晶型。等离子体（等离子体（plasma)由离子、电子和不带电粒子组成电中性、由离子、电子和不带电粒子组成电中性、高度离子化气体。等离子体是一个很好导电体高度离子化气体。等离子体是一个很好导电体.液晶（液晶（liquidcrystal)特殊状态，有流动性（液体），但分特殊状态，有流动性（液体），但分子有显著取向，规则排列（固体）。有两种可熔温度：在第子有显著取向，规则排列（固体）。有两种可熔温度：在第一个熔温度下，晶体由固体变一个熔温度下，晶体由固体变“不透明不透明”液体，而当温度升液体，而当温度升高至第二个可熔点，成为正常透明液体，展现出固态或液态高至第二个可熔点，成为正常透明液体，展现出固态或液态特征。特征。1第1页物质为何有不一样聚集状态？物质为何有不一样聚集状态？物质是由分子组成，分子存在：物质是由分子组成，分子存在：u分子热运动，包含分子平动、转动、振动等是无序运动，分子热运动，包含分子平动、转动、振动等是无序运动，趋势：形成气体状态。趋势：形成气体状态。u分子间相互作用，包含色散力、静电力、氢键等和排斥力，分子间相互作用，包含色散力、静电力、氢键等和排斥力，形成有序排列，趋势：形成凝聚状态。形成有序排列，趋势：形成凝聚状态。这两方面相对强弱不一样，物质就展现不一样聚集状态，并这两方面相对强弱不一样，物质就展现不一样聚集状态，并表现出不一样宏观性质。其中最基本宏观平衡性质有两类：表现出不一样宏观性质。其中最基本宏观平衡性质有两类：（1）pVT性质性质一定数量物质压力、体积和温度间关系一定数量物质压力、体积和温度间关系（2）热性质）热性质物质热容、相变热、生成热、燃烧焓和熵物质热容、相变热、生成热、燃烧焓和熵2第2页在研究或处理生产实际问题时，需要这两类性质，在研究或处理生产实际问题时，需要这两类性质，如合成氨工如合成氨工业：业：3H2+N2=2NH3条件：高温高压条件：高温高压平衡常数：平衡常数：经过三种物质热性质，计算反应热效应经过三种物质热性质，计算反应热效应Q等等pVT性质和热性质是物质特有性质，它们由性质和热性质是物质特有性质，它们由3种方法得到：种方法得到：直接试验测定直接试验测定如如CO2pVT测定，苯甲酸燃烧热测定测定，苯甲酸燃烧热测定经验或半经验方法经验或半经验方法：状态方程：状态方程(EOS,EquationofState)理论方法理论方法统计力学、量子力学、分子模拟等统计力学、量子力学、分子模拟等3第3页在本课程讨论物质在本课程讨论物质pVT性质性质气体气体pVT关系。第二、三章讨关系。第二、三章讨论热性质。论热性质。气体气体pVT研究从研究从17世纪开始，先后提出了三个经验定律世纪开始，先后提出了三个经验定律1.波义耳波义耳(R.Boyle)定律（定律（1661年）年）n,T一定一定,pV=Const2.盖-吕萨克定律（C.Gay-J.Lussac)（18）n,p一定一定,V/T=Const3阿佛加德罗（阿佛加德罗（Avogadro）定律）定律T,p一定一定,V/n=Const上述上述3个定律在个定律在温度不太低、压力不太高情况时适用。温度不太低、压力不太高情况时适用。4第4页当压力趋于零时，任何气体均能严格恪守这当压力趋于零时，任何气体均能严格恪守这3个定律，由此可个定律，由此可引出引出“理想气体理想气体”概念。概念。理想气体理想气体pVT关系关系1881年范德华（年范德华（vanderWaals)提出了著名范德华状态方程提出了著名范德华状态方程（vanderWaalsEOS)到当前已经有几百种适用不一样物质到当前已经有几百种适用不一样物质EOS，pVT关系研究依关系研究依然是热点，主要关注：超临界状态、电解质溶液、高分子物然是热点，主要关注：超临界状态、电解质溶液、高分子物质等质等pVT关系。关系。5第5页本章节将介绍：本章节将介绍：1.理想气体与理想气体状态方程理想气体与理想气体状态方程2.实际气体与实际气体状态方程实际气体与实际气体状态方程3.实际气体液化实际气体液化4.压缩因子图压缩因子图实际气体实际气体pVT计算计算6第6页1.1 1.1 理想气体状态方程理想气体状态方程1.理想气体状态方程理想气体状态方程理想气体严格恪守理想气体严格恪守理想气体状态方程：理想气体状态方程：R=8.3145J mol-1 K-1摩尔气体常数摩尔气体常数,p/Pa,V/m3,T/K(SI制）。制）。2.理想气体微观模型理想气体微观模型分子分子在没有接触时在没有接触时相互没有作用，分子间碰撞是完相互没有作用，分子间碰撞是完全全弹性碰撞。弹性碰撞。气体分子本身大小能够忽略不计气体分子本身大小能够忽略不计理想气体能够看做是实际气体在压力趋近于零时极限情况。理想气体能够看做是实际气体在压力趋近于零时极限情况。什么样气体才能视为理想气体什么样气体才能视为理想气体?通通常常一一定定量量n气气体体所所处处状状态态，能能够够用用压压力力pressure、体体积积volume、温温度度temperature来来描描述述,而而联联络络这这四四个个量量关关系系式式子子就就是是气气体体状状态方程式（态方程式（EquationOfState,EOS)7第7页3.研究理想气体意义研究理想气体意义实际应用：在计算要求不高或低压时工程近似计算。实际应用：在计算要求不高或低压时工程近似计算。理论意义：是简单、抽象、最有代表性科学模型。理论意义：是简单、抽象、最有代表性科学模型。任何一个气体，当任何一个气体，当p0时，它时，它pVT关系均能够用理想气体关系均能够用理想气体状态方程表示。状态方程表示。描述实际气体状态方程，当描述实际气体状态方程，当p0时，都应转变为理想气时，都应转变为理想气体状态方程。体状态方程。4.应用应用如：（如：（1）摩尔气体常数）摩尔气体常数Rp20（2)测定气体分子摩尔质量测定气体分子摩尔质量从哲学观点：研究问题总是由易到难，从简单到复杂。物从哲学观点：研究问题总是由易到难，从简单到复杂。物理化学依据研究对象不一样，提出理想模型，是一个科学理化学依据研究对象不一样，提出理想模型，是一个科学抽象，从易到难处理问题科学方法。抽象，从易到难处理问题科学方法。8第8页例：例：25 C时试验测得某有机气体得密度时试验测得某有机气体得密度 与压力与压力p关系，求该关系，求该有机气体分子摩尔质量。有机气体分子摩尔质量。p/mmHg91.74188.9277.3452.8639.3760.0/kg m-30.2276 0.4695 0.6898 1.1291 1.5983 1.9029解：解：关键是怎样得到关键是怎样得到：9第9页 p/mmHg91.74188.90277.30452.80639.30760.00/kg m-30.22760.46950.68981.12911.59831.9029103 p/Pa12.2325.1836.9760.3785.23101.33103(/p)0.018610.018640.018660.018700.018750.01878作图：作图：10第10页摩尔质量：摩尔质量：乙醇乙醇91.74188.9277.3452.8639.3760.046.1046.1946.2346.3446.4646.53按试验压力计算：按试验压力计算：说明理想气体状态方程适用范围：说明理想气体状态方程适用范围：对于易液化气体如对于易液化气体如CO2、水蒸汽，室温时为液体有机物气体，、水蒸汽，室温时为液体有机物气体，低压下适用。低压下适用。对于常温常压下为气体，如对于常温常压下为气体，如H2,N2，可用到几十，可用到几十atm。11第11页1.2 1.2 理想气体混合物理想气体混合物1.混合物组成混合物组成（1）摩尔分数）摩尔分数 x或或y物质物质B摩尔分数定义摩尔分数定义（2）质量分数）质量分数 wB普通气体混合物用普通气体混合物用y表示，液体混合物用表示，液体混合物用x表示。表示。物质物质B质量分数定义质量分数定义（3）体积分数）体积分数 B物质物质B体积分数定义体积分数定义一定温度、压力下纯物质一定温度、压力下纯物质A摩尔体积。摩尔体积。12第12页2.道尔顿（道尔顿（Daldon）分压定律）分压定律(lawofpartialpressure)分压力定义：分压力定义：pB=yB p得混合气体总压得混合气体总压p适用范围：全部混合气体，既高压下混合气体。关键是怎适用范围：全部混合气体，既高压下混合气体。关键是怎样表示公式中压力。样表示公式中压力。u用理想气体状态方程用理想气体状态方程pB=yB p13第13页上式即为上式即为道尔顿（道尔顿（Dalton）分压定律。文字表述：）分压定律。文字表述：混合气体总压力等于各组分气体存在于混合气体温度、体积混合气体总压力等于各组分气体存在于混合气体温度、体积条件产生压力之和。条件产生压力之和。适用：理想气体混合物，或低压下实际气体混合物。适用：理想气体混合物，或低压下实际气体混合物。u实际气体实际气体EOS3.阿马加（阿马加（Amagat）分体积定律）分体积定律分体积定律：混合理想气体体积等于混合气体各组分分体分体积定律：混合理想气体体积等于混合气体各组分分体积之和。积之和。14第14页式中：式中：气体混合物中组分气体混合物中组分B摩尔分数摩尔分数yB适用：理想气体混合物，或低压下实际气体混合物。适用：理想气体混合物，或低压下实际气体混合物。化工等工程为惯用公式化工等工程为惯用公式由可测量量：由可测量量：yB和和p计算混合气体中某一组分分压力。计算混合气体中某一组分分压力。15第15页例：干燥空气体积分数为例：干燥空气体积分数为N2：79%、O2：21%，试问在，试问在25、101325Pa下，空气相对湿度为下，空气相对湿度为60%，此湿空气密度为多少？，此湿空气密度为多少？已知已知25下，水蒸汽饱和蒸汽压为下，水蒸汽饱和蒸汽压为3167.74Pa。解：空气相对湿度为解：空气相对湿度为60%相对湿度相对湿度p水水/p饱和饱和所以所以:湿空气中各组分摩尔分数湿空气中各组分摩尔分数16第16页混合气体平均分子量湿空气密度为：17第17页1.3 1.3 实际气体液化与临界参数实际气体液化与临界参数1.液体饱和蒸气压液体饱和蒸气压理想理想气体气体改变改变T 或或p 不能液化不能液化因为理想气体分子没有因为理想气体分子没有相互作用力相互作用力实际实际气体气体 T 或或 p气体会液化气体会液化因为实际气体分子存在因为实际气体分子存在相互作用力相互作用力实际气体实际气体0Err0理想气体理想气体0Err0分子相互作用势能曲线分子相互作用势能曲线吸引力吸引力attractiveforce排斥力排斥力repulsiveforceLennard-Jones理论：理论：18第18页当当在一定温度在一定温度,pp在一定温度在一定温度T下，与液体成下，与液体成平平衡衡饱和蒸气所含有压力称为饱和蒸气所含有压力称为饱和蒸气压饱和蒸气压，p*不一样物质，因为分子间相互作用力不一样，表现为相同不一样物质，因为分子间相互作用力不一样，表现为相同温度下，含有不一样饱和蒸气压：温度下，含有不一样饱和蒸气压：水水乙醇乙醇t/Cp*/kPat/Cp*/kPa202.338205.671407.3764017.3956019.9166046.0088047.34378.4101.325100101.325100222.48120198.54120422.35饱和蒸气饱和蒸气液体液体19第19页纯物质饱和蒸气压是温度函数，温度上升，饱和蒸气压增大。纯物质饱和蒸气压是温度函数，温度上升，饱和蒸气压增大。当液体饱和蒸气压等于外压时，液体沸腾，对应温度为当液体饱和蒸气压等于外压时，液体沸腾，对应温度为沸点沸点（BoilingPoint)。习惯将外压习惯将外压=101.325kPa沸点称为沸点称为正常沸正常沸点点。外压为外压为2.338kPa时，水沸点为时，水沸点为20 C大气相对湿度定义：大气相对湿度定义：p为大气中水分压为大气中水分压.相对湿度相对湿度90%时，感觉闷热时，感觉闷热南方夏天南方夏天某高原大气压某高原大气压99.1kPa，水沸点，水沸点=？20第20页对应温度称为对应温度称为临界温度临界温度(CriticalTemperatureTc)，与之对应，与之对应饱和压力饱和压力pc称为称为临界压力临界压力。在临界温度和临界压力下，物质摩。在临界温度和临界压力下，物质摩尔体积称为尔体积称为临界摩尔体积临界摩尔体积Vm,c.Tc,pc,Vm,c统称为物质临界参统称为物质临界参数，是物质非常主要特征参数。数，是物质非常主要特征参数。(在附录表在附录表13，P480)2.临界参数临界参数从图能够看出，饱和蒸气压与温度关系。当温度上升到某一从图能够看出，饱和蒸气压与温度关系。当温度上升到某一特特殊温度殊温度后，如后，如水为水为374 C,CO2为为31 C，液相不可能存在，而，液相不可能存在，而只能是气相。只能是气相。在在临界时，气体摩尔体积等于摩尔体积液体密度。临界时，气体摩尔体积等于摩尔体积液体密度。CO2p-V等温线等温线纯物质除有熔点，沸点纯物质除有熔点，沸点外，还有临界点：外，还有临界点：21第21页the flow apparatus for the measurement of critical points 22第22页CO2超临界流体萃取超临界流体萃取(SupercriticalFluidExtraction,SFE)技术一个新型物质分离、精制技术。技术一个新型物质分离、精制技术。所谓所谓超临界流体超临界流体，是指物体处于其临界温度和临界压力以上，是指物体处于其临界温度和临界压力以上时状态。时状态。这种流体兼有液体和气体优点这种流体兼有液体和气体优点，密度大密度大和扩散性好和扩散性好特点特点。CO2超临界萃取技术是当前国际上公认最理想分离技术，它超临界萃取技术是当前国际上公认最理想分离技术，它是将是将CO2压缩调温（压缩调温（7.3MPa,31以上）到达超临界状态，以上）到达超临界状态，用以萃取分离各种有用物质。代替传统有机溶剂萃取、水蒸用以萃取分离各种有用物质。代替传统有机溶剂萃取、水蒸汽蒸馏以及蒸馏技术。汽蒸馏以及蒸馏技术。含有没有毒、无污染、节能、保留物含有没有毒、无污染、节能、保留物质活性、分离简单等优点。质活性、分离简单等优点。且溶剂和萃取物非常轻易分离且溶剂和萃取物非常轻易分离。超临界。超临界CO2萃取尤其适合用萃取尤其适合用于脂溶性，高沸点，热敏性物质提取于脂溶性，高沸点，热敏性物质提取CO2超临界流体超临界流体作为溶剂合成各种纳米材料作为溶剂合成各种纳米材料23第23页3.实际气体实际气体p-Vm图及实际气体液化图及实际气体液化一定温度下，理想气体一定温度下，理想气体p-Vm图：图：pV一定温度下，实际气体一定温度下，实际气体p-Vm图：图：pVmTc T T TTcT实际气体实际气体p-Vm等温线等温线研究实际气体研究实际气体pVT性质性质u偏离理想气体偏离理想气体u能够液化能够液化u临界现象临界现象当当T33.2K时，氢气能够液时，氢气能够液化。制冷剂液化。化。制冷剂液化。p-Vm图图pVmVpVm-Vm图图24第24页CO2p-Vm等温线示意图等温线示意图依据试验数据绘出依据试验数据绘出CO2气体气体p-Vm等温线图，任何一个气等温线图，任何一个气体都有类似规律。体都有类似规律。分为三个区域：分为三个区域：（1）TTc25第25页p Vm温度一定，液体饱和蒸气压一定。温度一定，液体饱和蒸气压一定。液相线液相线l1l1:因为液体不可压缩性，因为液体不可压缩性，压力增加，液体体积改变很小。压力增加，液体体积改变很小。T1一定一定p气相气相g1g1气液平衡气液平衡g1l1pp液相液相l1l1低压大致积时，符合理想气体行为。低压大致积时，符合理想气体行为。p*26第26页p用途：导出临界常数与实际气体状态方程中特征参数关系。用途：导出临界常数与实际气体状态方程中特征参数关系。27第27页iii.与与pVm=Const.双双曲曲线线比比较较，可可知知实实际际气气体体偏偏离离理理想想气气体体程程度度。温温度度越越高高等等温温线线越越靠靠近近理理想想气气体体状态方程式。状态方程式。高温等温线高温等温线特点：特点：i.p-Vm等温线为一光滑曲线等温线为一光滑曲线ii.不论加多大压力，气体均不能不论加多大压力，气体均不能液化液化.全部气体都有以上规律。全部气体都有以上规律。28第28页1.4实际实际气体状气体状态态方程方程描述实际气体描述实际气体pVT关系方法关系方法:29第29页pVm1.实际气体实际气体pVm-p图图气体在不一样温度下气体在不一样温度下pVm-p图图30第30页波义尔温度波义尔温度TB当当T=TB:p,pVm开始不开始不变变,然后增加。然后增加。当当TTB:p,pVm先下降先下降,然后增加。然后增加。对于任何气体都有一个特殊温度对于任何气体都有一个特殊温度波义尔温度波义尔温度TB在该温度下，在该温度下，p0时时，pVmp等温等温线斜率为零，有：线斜率为零，有：气体在波义尔温度以上时气体在波义尔温度以上时,无法用加压方法使之液化。无法用加压方法使之液化。H2波波义尔温度是义尔温度是195K（78）在波义尔温度时，在波义尔温度时，压力大约在几个大气压范围内压力大约在几个大气压范围内，该实际气体，该实际气体pV值等于或十分靠近理想气体数值值等于或十分靠近理想气体数值(或符合波义尔定律或符合波义尔定律)。31第31页