物理化学00绪论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

物理化学物理化学绪 论/10/10物理化学绪论第1页什么是物理化学？物理现象化学现象物理化学用物理理论和试验方法研究化学改变本质与规律/10/10物理化学绪论第2页0.1 0.1 物理化学课程内容物理化学课程内容物理化学物理化学 从研究化学现象和物理现象从研究化学现象和物理现象之间相互联络入手，从而探求化学改变中之间相互联络入手，从而探求化学改变中含有普遍性基本规律。在试验方法上主要含有普遍性基本规律。在试验方法上主要采取采取物理学物理学中方法。中方法。/10/10物理化学绪论第3页化学理论最主要作用是提供一个思维体制化学理论最主要作用是提供一个思维体制以总结更新知识。以总结更新知识。-若贝尔化学奖取得者Hofmann/10/10物理化学绪论第4页国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/.10 从从单单分分子子、分分子子聚聚集集体体到到凝凝聚聚态态，从从分分子子间间弱弱相相互互作作用用到到化化学学键键形形成成，从从简简单单体体系系到到复复杂杂体体系系；借借助助物物理理化化学学伎伎俩俩和和理理论论方方法法，获取从基态到激发态、从稳态到瞬态分子结构以及动态改变信息。获取从基态到激发态、从稳态到瞬态分子结构以及动态改变信息。物物理理化化学学研研究究展展现现出出以以下下态态势势：宏宏观观与与微微观观相相结结合合、体体相相与与表表（界界）面面相相结结合合、静静态态与与动动态态相相结结合合，理理论论与与试试验验相相结结合合、并并深深入入深入到对化学反应和物质结构控制研究。深入到对化学反应和物质结构控制研究。物理化学研究内容及态势/10/10物理化学绪论第5页 物理化学主要物理化学主要理论支柱理论支柱是化学热力学是化学热力学和动力学、统计力学和量子力学。和动力学、统计力学和量子力学。热力学和动力学热力学和动力学适合用于宏观系统适合用于宏观系统量子力学量子力学适合用于微观系统适合用于微观系统统计力学统计力学则为上述二者桥梁则为上述二者桥梁/10/10物理化学绪论第6页 研究内容研究内容：(1)改变方向和程度问题改变方向和程度问题 (2)化学反应速率和机理问题化学反应速率和机理问题(3)物质性质与其结构之间关系问题物质性质与其结构之间关系问题/10/10物理化学绪论第7页国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/.10优先领域优先领域I I：基于生物技术经济：基于生物技术经济 (Bio-based economy)(Bio-based economy)（1）生物催化）生物催化新型和改进酶和生物催化过程，包含筛选天然生物多新型和改进酶和生物催化过程，包含筛选天然生物多样性，目标导向筛选技术，新筛选工具和新含有特殊应用生物催化剂；样性，目标导向筛选技术，新筛选工具和新含有特殊应用生物催化剂；（2）发展下一代高效发酵过程，包含新型或改进微生物）发展下一代高效发酵过程，包含新型或改进微生物/宿体；宿体；（3）仿生加工与集成：生物炼油概念等）仿生加工与集成：生物炼油概念等。/10/10物理化学绪论第8页国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/.10优先领域优先领域II II：能源：能源(Energy)(Energy)（1 1）可替换能源：包含愈加连续、愈加有效、愈加廉价液体）可替换能源：包含愈加连续、愈加有效、愈加廉价液体 燃料产品，生物质裂解，生物柴油，生物燃燃料产品，生物质裂解，生物柴油，生物燃 气，燃料电池，风能等；气，燃料电池，风能等；（2 2）能源转化：）能源转化：包含有效照明，绝缘保温；包含有效照明，绝缘保温；（3 3）能源储存：）能源储存：包含电池，燃气储存，超大电容等。包含电池，燃气储存，超大电容等。/10/10物理化学绪论第9页国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/.10优先领域优先领域IIIIII：健康（：健康（HealthcareHealthcare）用于药品释放和治疗材料：包含靶向药品释放，智能用于药品释放和治疗材料：包含靶向药品释放，智能药品释放体系，个人化营养，诊疗技术，芯片试验室或快药品释放体系，个人化营养，诊疗技术，芯片试验室或快速诊疗技术（探针），成像材料，可置入体内生物医用器速诊疗技术（探针），成像材料，可置入体内生物医用器件等。件等。/10/10物理化学绪论第10页国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/.10优先领域优先领域IVIV：信息与通讯技术：信息与通讯技术（Information and Communication TechnologyInformation and Communication Technology）（1 1）应用与导入：包含在器件材料中纳米结构集成，低）应用与导入：包含在器件材料中纳米结构集成，低k k和高和高k k电介电介 质，用于高密度制备高分子，用于信息通讯技术微型电池，质，用于高密度制备高分子，用于信息通讯技术微型电池，连接技术，高分子导体，印刷电极等；连接技术，高分子导体，印刷电极等；（2 2）界面工程：包含对界面认识，对有机导体界面认识等；）界面工程：包含对界面认识，对有机导体界面认识等；（3 3）自组装和图案化：包含直接与自组装模板，纳米材料用于能源管）自组装和图案化：包含直接与自组装模板，纳米材料用于能源管 理，先进图案化技术等；理，先进图案化技术等；（4 4）半导体：包含碳纳米管用于集成电路；）半导体：包含碳纳米管用于集成电路；（5 5）信息储存：包含全息成像技术，基于）信息储存：包含全息成像技术，基于DNADNA和蛋白质生物开关；和蛋白质生物开关；（6 6）皮秒分子开关等。）皮秒分子开关等。/10/10物理化学绪论第11页国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/.10优先领域优先领域V V：纳米技术（纳米技术（NanotechnologyNanotechnology）（1）纳米材料：包含表面化学与技术，合成与加工，认识和调控纳米）纳米材料：包含表面化学与技术，合成与加工，认识和调控纳米 结构高分子和杂化材料以及介孔杂化材料，用于纳米结构探针结构高分子和杂化材料以及介孔杂化材料，用于纳米结构探针 材料；材料；（2）新型生产技术：包含集成技术（组装技术等）；）新型生产技术：包含集成技术（组装技术等）；（3）发展分析技术：包含环境、健康、安全问题，在生物组织中）发展分析技术：包含环境、健康、安全问题，在生物组织中（4）纳米材料检测；计算材料科学：包含在计算机模拟中不一样尺度）纳米材料检测；计算材料科学：包含在计算机模拟中不一样尺度 与时间尺度桥连；与时间尺度桥连；（5）发展大规模科学应用软件和新用户友好计算机工具界面等。）发展大规模科学应用软件和新用户友好计算机工具界面等。/10/10物理化学绪论第12页国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/.10优先领域优先领域VIVI：可连续生活质量可连续生活质量（Sustainable quality of lifeSustainable quality of life）（1）家居作为自给能源发动机：包含用于房屋表面光伏）家居作为自给能源发动机：包含用于房屋表面光伏 达电池，高级家用电池和替换能源储存；达电池，高级家用电池和替换能源储存；（2）家居作为生态效应环境：包含经过建筑材料、涂层和）家居作为生态效应环境：包含经过建筑材料、涂层和 动态动态ICT策略增强绝热性能，可再生材料生产高分子策略增强绝热性能，可再生材料生产高分子 用于包装、家俱、家用水净化和循环使用，照明、洗用于包装、家俱、家用水净化和循环使用，照明、洗 衣、供暖和垃圾处理等家务创新；衣、供暖和垃圾处理等家务创新；（3）垃圾处理，土壤和水再修复等。）垃圾处理，土壤和水再修复等。/10/10物理化学绪论第13页物理化学课程特点物理化学课程特点 要求较强推理能力和逻辑思辨能力要求较强推理能力和逻辑思辨能力对学生有较高数学要求和演算能力对学生有较高数学要求和演算能力基础热力学是整个物理化学基础基础热力学是整个物理化学基础分支化学又更多程度表达着前沿热点分支化学又更多程度表达着前沿热点/10/10物理化学绪论第14页物理化学研究中应该充分认识试验主要性物理化学研究中应该充分认识试验主要性物理化学学习关键点物理化学学习关键点推理与关键点 演练与精要 思索与总结 预习与复习0.2 学习物理化学要求及方法学习物理化学要求及方法/10/10物理化学绪论第15页（1）遵照）遵照“实践实践理论理论实践实践”认识过程，认识过程，分别采取归纳法和演绎法，即从众多试验事分别采取归纳法和演绎法，即从众多试验事实概括到普通，实概括到普通，再从普通推理到个别思维过再从普通推理到个别思维过程。程。（2）注意逻辑推理思维方法，注意逻辑推理思维方法，对一些主要公对一些主要公式加以推导，理清理论体系主次关系式加以推导，理清理论体系主次关系。/10/10物理化学绪论第16页(3)(3)多做习题，学会解题方法。多做习题，学会解题方法。在做习题过在做习题过程中加深对主要概念和公式了解。程中加深对主要概念和公式了解。(4)(4)课前自学，课后复习，勤于思索，培养课前自学，课后复习，勤于思索，培养自学和独立工作能力。自学和独立工作能力。(5)(5)循序渐进，同一概念需要经过屡次重复循序渐进，同一概念需要经过屡次重复学习，才能一次比一次加深了解。学习，才能一次比一次加深了解。/10/10物理化学绪论第17页对教学和教师了解“帮助学生学会解题是次要。”“激发学生创造力和提升学生逻辑思维能力是一个教师基本职责。”-北京大学教学优异奖颁奖讲话/10/10物理化学绪论第18页介绍学科最新结果和应用1.提升热电厂效率小改大2.发展清洁能源，降低使用矿石燃料6。燃油中掺水 3.从高碳经济向低碳经济发展4.三次开采石油5。莲花效应与免洗布/10/10物理化学绪论第19页1796-1832Carnot NLS 法国工程师 卡诺循环高温存放器低温存放器热机1.怎样提升热电厂效率/10/10物理化学绪论第20页 化学能 热能 机械能 化学能 电能 机械能 电能/10/10物理化学绪论第21页 火力发电厂能量利用 高煤耗、高污染（S、N氧化物、粉尘和热污染）/10/10物理化学绪论第22页 火力发电厂能量利用/10/10物理化学绪论第23页 普通加压蒸汽作功效力很差 要用亚临界、超临界甚至超超临界蒸汽 改进锅炉性能，增加脱硫、脱氮和除尘设备水相图水冰水蒸气610.62超临界流体/10/10物理化学绪论第24页 火力发电厂改造利用/10/10物理化学绪论第25页 热电厂能量利用/10/10物理化学绪论第26页 2.发展清洁能源/10/10物理化学绪论第27页燃料电池 实用燃料电池越来越普遍/10/10物理化学绪论第28页燃料电池 用燃料电池大巴/10/10物理化学绪论第29页燃料电池 用燃料电池汽车标致/10/10物理化学绪论第30页燃料电池 燃料电池汽车生成纯水/10/10物理化学绪论第31页波音企业第一架氢能源飞机/10/10物理化学绪论第32页Li 离子电池工作原理负极正极锂原子石墨/10/10物理化学绪论第33页 二。开发新清洁能源 王中林发电纤维 走路、心跳和吹过微风都能用来发电，机械能被巧妙地转化为电能。这种新型“发电机”选取是生物安全材料，整个过程无排放、无污染，堪称最具潜力“绿色发电”可认为随身听或者为一块手机电池充电。/10/10物理化学绪论第34页 发电地毯 德国人利用摩擦生电原剪创造了一个能发电地毯，他将发电线圈伴随地毯花纹进行巧妙编织。当人踏在地毯上时即能发电，可作为冰箱、洗衣机及电视机等能源，也可对蓄电池充电。一位美国工程师也设计出一个发电地毯。将这种装置埋在大街、车站、舞厅等公共场所地毯下，所发出电能够用来照明和驱动电风扇。/10/10物理化学绪论第35页 高达1000米，发电容量到达200MW，足够20万户家庭使用 澳大利亚太阳塔 热能机械能电能/10/10物理化学绪论第36页“烟囱效应”空气被太阳辐射加热后向塔底流去，并沿着“烟囱”上升，推进塔内一组32台、每台发电容量为6.25MW涡轮机而发电 塔底为70，塔顶为20，多出热能积聚在存放单元中，能够整天和整年不间断地工作/10/10物理化学绪论第37页太阳能电池太阳能工厂(德国)/10/10物理化学绪论第38页北京太阳能综合利用示范楼/10/10物理化学绪论第39页太阳能电池/10/10物理化学绪论第40页太阳能电池/10/10物理化学绪论第41页太阳能电池路灯草坪灯风扇凉帽/10/10物理化学绪论第42页太阳能电池染料敏感太阳能电池/10/10物理化学绪论第43页太阳能电池染料敏感太阳能电池/10/10物理化学绪论第44页太阳能电池染料敏感太阳能电池/10/10物理化学绪论第45页太阳能、风力协同海水淡化5元/吨左右/10/10物理化学绪论第46页 3.从高碳经济向低碳经济发展/10/10物理化学绪论第47页CO2相图超临界流体2。充分利用 降低环境污染/10/10物理化学绪论第48页超临界流体性质：1.超临界流体临界压力和温度 压力 温度 H2O 218105 Pa 647 K CO2 73105 Pa 304 K CO2 无毒、无味、惰性、价廉，是理想萃取剂/10/10物理化学绪论第49页超临界流体性质：2.超临界流体密度(液体)=(气体)3.超临界流体黏度气体黏度 扩散系数是普通液体10倍 有很强溶解能力/10/10物理化学绪论第50页超临界流体萃取优点：1.从天然产物中萃取中药、饮料和保健品等有效成份，保持纯天然，无有机溶剂残留。2.萃取与分离两工序合一，操作简单，CO2 能够循环使用。3.萃取速率快，生产周期短，同时进行高压灭菌。4.无三废，不污染环境，是绿色化工工艺。是分离科学中有划时代意义科学进步./10/10物理化学绪论第51页 把温室气体作为资源利用，提供价格低廉性能优异降解材料多重意义，其生产是环境友好型，能耗不高，基本无三废 利用CO2资源制备聚碳酸亚乙酯和降解型聚氨酯泡沫塑料聚碳酸亚乙酯聚氨酯泡沫PEC-PU样品 二氧化碳制生物降解塑料生产厂房/10/10物理化学绪论第52页 高碳经济是黑色经济3。将二氧化碳埋葬掉 低碳经济是绿色经济 所谓低碳经济指是在发展中排放最少温室气体，同时取得整个社会最大产出。要从高碳经济低碳经济无碳经济/10/10物理化学绪论第53页 发展低碳经济 房地产开发商要主动展开低成本、节能建筑研发，充分考虑采光、通风等自然资源利用，使用低成本节能建筑材料 用节能灯，空调提升1度，随手关灯，少看电视，节约用纸，少用一次性物品等等/10/10物理化学绪论第54页 高达3200m，住100万人，崔悦君设计/10/10物理化学绪论第55页美国华裔崔悦君自行设计家/10/10物理化学绪论第56页崔悦君灵感来自由白蚁巢穴和古代传说/10/10物理化学绪论第57页 迪拜太阳塔，高68层楼，利用太阳、风和水能源刀具式零能源消耗大厦，旋转太阳盾将为绿色植物提供阳光/10/10物理化学绪论第58页 在建迪拜高塔，高650米/10/10物理化学绪论第59页 迪拜旋转大厦有200个单位公寓大楼能够旋转，并用光伏阵列来捕捉阳光能量进行发电，一个星期将旋转306度。/10/10物理化学绪论第60页 亚特兰大最环境保护宝瓶星塔，一座500英尺高公寓，采取太阳能发电板与风力进行供电，并使用风力涡轮机保持室内空气清新/10/10物理化学绪论第61页 巴黎水上绿色环境保护大厦，采取太阳能光伏发电，使用风力作能源，屋顶也进行了创意绿化，橄榄球与圆柱设计，面积为2068平方米/10/10物理化学绪论第62页 英国零能源办公大楼，建成最大太阳能电池阵列，生产足够电力用于照明和空调等 大楼建筑面积超出7 万平方米，可容纳5000多人/10/10物理化学绪论第63页 发展低碳经济 继低碳之后，人们还提出了零碳经济，到时世界将实现碳零排放 商店里商品标签上，不但标有价格、原材料、产地，而且还会标明因生产这件产品而造成二氧化碳排放量 在消费者眼里，这个指标会和价格一样主要，甚至更主要 到那时再没有烟筒，汽车也不会排放尾气，低碳经济是人们对一个生活方式渴望和憧憬/10/10物理化学绪论第64页 美国和欧盟已拨巨款来研究在海洋和地层中埋藏二氧化碳方法。从理论上讲，海洋和地层能够贮藏人类在几千年间生产二氧化碳。英国东边国家石油企业天然气平台年来每年向咸水（海底米处地层）中注入万吨二氧化碳。该企业将开采出混合气体先进行分离，然后将二氧化碳注入到海底下含咸水地层中。在埋藏二氧化碳最大挑战是搜集二氧化碳以及将搜集到二氧化碳运输到埋藏它地点。向天然气矿井注入二氧化碳以置换出天然气.3。将二氧化碳埋葬掉/10/10物理化学绪论第65页4.三次开采石油一次采油 在原油开采过程中，首次采油普通依靠地底压力让原油自喷而出 二次采油 今后，因为地下压力减小，不得不往地下注水将油驱出 当前，我国多数油田处于二次采油晚期，每百吨采出液体中，含水量达吨 我国综合原油采收率只有多一些；也就是说，有多石油依然留在地下无法采出/10/10物理化学绪论第66页三次采油三次采油 三次采油技术就是利用物理、化学和生物等方法，把水驱难于开采剩下油尽可能多地采出来，以提升原油采收率 普通是指往地下注入化学物质，到达采油目标 大庆油田提出，力争用15-时间，形成以化学驱为主导，门类较为齐全三次采油、四次采油技术系列 三次采油年产油量1000万吨以上，稳产至/10/10物理化学绪论第67页活性剂分子岩石表面石油三次产油原理/10/10物理化学绪论第68页三次采油液氦界面张力最低，为0.37mN/m 超低界面张力采油 在苯水界面加油酸、油醇、NaOH，NaCl等物质能够使界面张力低到忽略不计 用石油磺酸盐加在采油注水液中形成活性水，得到超低界面张力，提升采油量 大庆依据试验室模拟结果，使用该产品及其独有技术，每吨石油磺酸盐能够提升原油产量多吨；能够将高渗油藏原油采收率提升至。/10/10物理化学绪论第69页 该技术成熟可靠、工艺合理、易于操作，处于国际领先水平。利用这一技术，我国大庆、胜利、辽河、华北等多数油田采收率能够大幅上升，将对我国原油供给和能源安全产生主动而深远影响。这一技术不但能够在国内采取，也能够走出国门，去搞国外大石油企业不愿搞油田深度开发。这不但对于保障国内石油供给意义重大，也有利于提升资源利用效率/10/10物理化学绪论第70页肥皂分子5。莲花效应与免洗布/10/10物理化学绪论第71页 洗涤作用 加活性剂将油污和基质润湿 增溶、从表面置换，使油污离开基质表面 乳化、起泡、带走油污，占领基质表面/10/10物理化学绪论第72页 表面防水与自洁作用莲花效应莲花效应/10/10物理化学绪论第73页 表面防水与自洁作用/10/10物理化学绪论第74页 在電子顯微鏡下，蓮葉表面含有大小約5-15微米細微突起表皮細胞 表皮細胞上又覆盖著一层直径约1 nm蜡质結晶。蜡质結晶本身化学结构含有疏水性，所以当水与這类表面接触時，会形成水珠。因为植物叶子表面不平整細微结构，使水与叶面接触面积更小而接触角变大，所以加強了疏水性，同時也降低了污染顆粒对叶面附着力。表面防水与自洁作用/10/10物理化学绪论第75页疏水作用疏水作用 表面防水与自洁作用/10/10物理化学绪论第76页 表面防水与自洁作用/10/10物理化学绪论第77页 表面防水与自洁作用 经过化学蒸镀法，将纳米丝进行地毯状组装。纳米丝，免洗布 水在这种超级不易被水沾湿纳米丝上形成球形水滴 水滴快速滑落，并将讨厌灰尘粒子带走。/10/10物理化学绪论第78页 超双疏性界面 由下到上、由原子到分子、由分子到聚集体，外延生长形成纳米尺寸和几何形状互补界面，使物体表面覆盖一层气体薄膜，起到疏水、疏油目标。表面防水与自洁作用 在输油管内壁、各种建材、包装材料、布匹等方面应用有重大意义。/10/10物理化学绪论第79页6。燃油中掺水水水包油 利用不一样形状胶束能够制备不一样形状纳米粒子。油油包水/10/10物理化学绪论第80页反胶束 乳化与破乳/10/10物理化学绪论第81页乳化应用柴油加水乳化剂柴油乳化油包水型/10/10物理化学绪论第82页柴油加水具备六大效应1。裂解增能效应，高温高压下将水裂解出比柴油能量高3.52倍氢气参加燃烧；2。自供氧效应，裂解出氧会起助燃作用，使燃烧更充分；3。微爆效应，水汽化时产生比本身大1700倍体积蒸汽，会突破油膜使油再度雾化，从而更充分燃烧；4。水煤气效应，水蒸汽与未能燃烧CO转化为CO2而大量放热；/10/10物理化学绪论第83页柴油加水具备六大效应5。均热效应，水汽能有效地降低汽缸体局部高温而保护机体、降低摩擦阻力，减轻结焦；6。环境保护效应，掺水燃烧可降低CO2和NOx等烟气排放量30%以上。可见，掺水燃烧有可靠科学性。更宝贵是在柴油中加入30水和合成助燃剂，意味着替换了30%燃料油，从而含有巨大节能、减排意义。/10/10物理化学绪论第84页0.3 0.3 物理量表示及运算物理量表示及运算1.1.物理量表示物理量表示 物理量物理量A是由其单位是由其单位A和以单位和以单位A表表示量示量A数值来表示。数值来表示。量符号必须用量符号必须用斜体斜体，下标如为物理量也，下标如为物理量也用用斜体斜体，但其它说明性标识则用，但其它说明性标识则用正体正体。单位。单位符号通常是用符号通常是用小写字母小写字母，如起源于人名，则，如起源于人名，则第一字母大写第一字母大写，而且用，而且用正体正体。/10/10物理化学绪论第85页2.2.对数中物理量对数中物理量 对数中物理量应先除以其单位后，对数中物理量应先除以其单位后，才能进行计算。才能进行计算。比如：比如：/10/10物理化学绪论第86页3.3.量值计算量值计算 在计算时，先列出在计算时，先列出量方程式量方程式，再将数值，再将数值和单位代入后进行计算。和单位代入后进行计算。对于复杂运算，为了简便起见，不列出每对于复杂运算，为了简便起见，不列出每一个物理量单位，而直接给出最终单位。一个物理量单位，而直接给出最终单位。比如：比如：/10/10物理化学绪论第87页