物理化学1专题省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

首页,上页,返回,下页,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,物 理 化 学,1,第1页,1,焦丽芳，化学学院新能源材料化学研究所，副教授,办公室：天南大联合大厦,A,座,901,电话：,23504527,Email,：,jiaolf,自我介绍,第2页,2,教材及参考书,：,高教出版社，印永嘉等，,物理化学简明教程,南京大学，傅献彩等，,物理化学,南开大学，朱志昂等，,近代物理化学,印永嘉等，,物理化学简明教程例题与习题,成绩分布,：,课后作业,10%,(2),期中考试,20%,(3),期末考试,70%,其 他,作业：,每人准备两个作业本，每次作业在下次上课之前交,此次作业：,P12:2/3/4/6 P16-18:7/8/12/13/14,第3页,3,为何要开设这门课？,物理化学和我们日常生活亲密相关，在生物、医学、环境、工业、农业等很多领域均含有主要应用价值！,课程意义,&,课程介绍,化学教学四大基础课之一,研究化学改变规律科学,理论性强，应用范围广泛,第4页,4,热机工作原理,卡诺循环和卡诺定理,-,热力学第二定律,第5页,5,渗透原理,第三章 化学势,溶液依数性,第6页,6,金属防腐和电池,第七章 电化学,第九章 动力学,Zn,第7页,7,人工降雨和锄地保墒,第八章 表面现象,SOS,第8页,8,涂料与乳制品,第八章 表面现象与分散系统,第9页,9,化学药品合成路线选择，工艺条件确定，反应速率及机理掌握等都需要,化学热力学和化学动力学基础,经过测定药品生物半衰期计算出每次给药所需用时间，药品稳定性及体内代谢等都需要,化学动力学基础,当人体脂质代谢遭到破坏时,血液中红细胞电泳率就会低于正常值,经过电泳测定就可判定人体肝功效是否正常，需要,电化学基础,天然药品有效成份分离、提取，药品剂型设计与改进等需要,分散体系物理化学基础,利用胶体粒子带电特点,经过电泳方法可分离体液,判断某器官是否病变，,需要胶体电泳知识基础,物理化学应用,第10页,10,本课程主要内容,1.,热力学第一定律,(2,次课）,2.,热力学第二定律,2,次课）,3.,化学势,(2,次课）,4.,化学平衡,(1,次半课，其中复习，大约,11.10,其中考试）,5.,电化学,(3,次课）,6,动力学,(2,次课,）,7,表面现象与分散系统,(2,次课）,1.5,号期末复习,1,次课，,1.15,号,-23,号考试周期末考试,X,相平衡,X,统计力学,第11页,11,大学物理教学内容,第三章 热力学,目标要求,1.,掌握热力学第一定律及其相关概念（内能、功和能量）。能熟练利用 热力学第一定律计算理想气体等值过程和绝热过程内能、功和能量。,2.,了解气体摩尔热容量概念。,3.,能计算理想气体准静态循环过程如卡诺循环效率等。,4.,了解热力学第二定律两种表述。了解可逆过程和不可逆过程，熵，热力学第二定律统计意义。,教学内容,1.,热力学平衡态和气体物态方程；,2.,气体分子统计分布规律；,3.,气体内运输过程；,4.,热力学第一定律；,5.,热力学第一定律对理想气体等值过程和绝热过程应用；,6.,热力学第二定律，可逆过程和不可逆过程及熵；,7.,固体和液体性质；,8.,相变,第12页,12,此次课内容,绪论,1,物理化学定义和研究内容,2,物理化学研究方法,3,物理化学学习方法,第一章 热力学第一定律,（一）热力学概论,1.1,热力学研究对象,1.2,几个基本概念,（二）热力学第一定律,1.3,能量守恒,热力学第一定律,1.4,体积功1.5,定容及定压下热,第13页,13,绪论,1,物理化学定义和研究内容,2,物理化学研究方法,3,物理化学学习方法,第14页,14,1,物理化学定义和研究内容,定义：物理化学就是从物质物理现象与化学现象联络入手，探求化学改变基本规律一门学科。物理化学用物理理论和试验方法来研究化学问题。,简单了解：,用物理方法研究化学基本规律,曾被称为,理论化学,第15页,15,物理化学研究内容,1.,研究化学改变方向和程度,热力学问题,2.,研究化学反应速度和机理,动力学问题,3.,研究物质结构与宏观性质关系,结构化学（物质结构）,4.,统计热力学微观与宏观桥梁,5.,胶体与界面现象,特殊形态物质性质,第16页,16,2,物理化学研究方法,1.,热力学方法（宏观方法）,以由大量质点,(,约,10,23,个粒子,),组成宏观体系作为研究对象，以热力学第一、第二定律为基础，用一系列热力学函数及其变量，描述体系从始态到终态宏观改变，而不包括改变细节。所以经典热力学方法只适合用于平衡体系。,2.,动力学方法,(,宏观微观方法,),宏观上，经过检测反应进程中物质量随时间改变规律研究反应动力学规律；微观上，采取交叉分子束、光谱学等试验伎俩从分子层次上探讨反应机理。,第17页,17,2,物理化学研究方法,3,物质结构方法或量子力学方法（微观方法）,用量子力学基本方程（,E.Schrodinger,方程）求解组成体系微观 粒子之间相互作用及其规律，从而揭示物性与结构之间关系。,4,统计力学方法（微观宏观）,用概率和数理统计规律计算出体系内部大量质点微观运动平均结果，从而解释宏观现象并能计算一些热力学宏观性质。即在物质微观性质和宏观性质之间架起桥梁。,第18页,18,3,物理化学学习方法,1,抓住每章重点，切记基本概念；,3,注意定律、定理等使用条件和各种结论使用范围；,4,课前自学，课后复习，勤于思索，重视听课、看书；,5,重视作业，多做习题，学会解题方法。,不会解题，就不可能掌握物理化学。,2,重点学习它思维方式,逻辑推理；,第19页,19,第一章 热力学第一定律,一、化学热力学介绍,研究化学过程中能量相互转换所遵照规律科学，,广义上说，研究热和其它形式能量相互转换关系。,二、化学热力学要处理问题,研究各种化学改变过程中能量转换和守恒问题,研究一个过程自发进行方向和程度问题,（一）热力学概论,第20页,20,1.1,热力学研究特点,一、热力学研究是宏观体系,二、热力学只研究平衡态,三、热力学不存在时间变量,四、热力学否定结论是可靠,第21页,21,1-2,热力学基本概念,1.,体系,(,系统,),与环境,研究对象就叫,体系,；,体系以外并与体系有相互作用部分称为,环境,。,体系与环境划分是相正确,体系确实定非常关键，而且确定后在同一研究过程中不能改变,第22页,22,体系分类,敞开体系：,封闭体系：,孤立体系：,体系,环境,物质,能量,体系,环境,物质,能量,体系,环境,物质,能量,第23页,23,2.,状态与状态函数,体系物理性质和化学性质总和称为,状态,；,体系状态性质称为,状态函数,，又称,状态性质,。,质量,m,、温度,T,、压强,p,、体积,V,、浓度,C,等,以及热力学中要讲到内能,U,、焓,H,、熵,S,、自由能,G,等,这些都是描述体系状态宏观物理量,都是,状态函数,1-2,热力学基本概念,第24页,24,状态函数分类,广 度 性 质,强 度 性 质,与物质量成正比，含有加合性又称容量性质 如：质量、体积,与物质量无关，没有加合性。,即，整个体系中强度性质数值,与各部分强度性质数值相同。,如：压强、密度、温度,两个,广度性质,比值往往是一个强度性质，如密度,状态性质是相互关联，比如纯物质单相体系只需要,p,、,V,、,T,、,n,其中三个确定，体系状态就能确定。,封闭体系则两个就够。,第25页,25,状态函数特点,状态函数值取决于体系状态，即状态确定，则取值确定，所以状态函数改变量只与体系一直态相关，与详细改变路径无关。,状态函数特征可描述为：,异途同归，值变相等；,周而复始，数值还原,。,第26页,26,状态函数在数学上含有全微分性质，比如状态函数,U(,内能,),能够表示为温度,T,和体积,V,函数，写作,U=,f,(T,V),则有：,全微分性质,全微分等于偏微分之和,欧拉倒易关系：与求导次序无关,循环积分为,0,第27页,27,3.,过程与路径,体系状态发生一切改变称为,过程,；,体系完成始态到终态详细步骤称为,路径,。,50,C,100,C,75,C,10,C,一个过程：,50,C 100 C,，可有各种路径,1-2,热力学基本概念,第28页,28,常见过程,恒 温 过 程,恒 压 过 程,恒 容 过 程,绝 热 过 程,循 环 过 程,d,T=0,d,p=0,d,V=0,Q,=0,状态,1,到状态,2,，,然后又回到状态,1,按照状态参数发生改变情况划分：,第29页,29,常见过程,简单改变过程,相改变过程,化学改变过程,只有,p,、,V,、,T,改变,gls,A+B=C+D,按照有没有物质转移来分类：,第30页,30,4.,热力学平衡,在没有环境影响条件下，体系中各状态函数均不随时间而变，则称体系处于热力学平衡态。,热力学平衡应同时存在以下四个平衡：,热平衡,力平衡,化学平衡,相平衡,1-2,热力学基本概念,第31页,31,体系状态函数之间定量关系式称作状态方程。,比如均相单组分体系，状态函数,p,、,V,、,T,之间有一定联络，写成数学关系式：,T=,f,（,p,，,V,）,注意只有均相体系才有状态方程。,1-2,热力学基本概念,5.,状态方程,第32页,32,理想气体状态方程,理想气体：分子间无相互作用力分子不占有体积。实际气体在高温低压下含有理想气体行为。,理想气体状态方程：,pV=nRT,（,R,：气体通用常数）,R=8.314 J mol,-1,K,-1,=1.987cal mol,-1,K,-1,=0.08206 atm l mol,-1,K,-1,第33页,33,混合理想气体分压定律,Dalton,分压定律：混合气体总压等于各组分分压之和。,P,i,：分压,T,、,V,n,A,、,n,B,T,、,V,n,A,T,、,V,n,B,p =p,A,+p,B,分压：混合气体中某组分单独存在并含有与混合气体,相同温度和体积时所产生压力。,或：,p,i,=p x,i,x,i,称为,摩尔分数,第34页,34,混合理想气体分体积定律,Amagat,分体积定律：混合气体总体积等于各组分分体积之和。,V,i,：分体积,T,、,p,n,A,、,n,B,T,、,p,n,A,T,、,p,n,B,V =V,A,+V,B,分体积：混合气体中某组分单独存在并含有与混合气体,相同温度和压力时所产生体积。,或：,V,i,=V x,i,x,i,称为摩尔分数,第35页,35,混合理想气体状态方程,第36页,36,本质：物质内部微观粒子平动能、振动能、转动能、电子能、核能等，但不包含宏观物体运动时动能和势能。,体系内,部一切,能量总和，用,U,表示，单位,J,。,U=E,t,+E,r,+E,v,+E,e,+E,n,1-2,热力学基本概念,6.,内能,第37页,37,内能特点,内能是状态函数，所以内能改变只与一直态相关；,对组成恒定封闭体系，全微分性质，三个都具备：,第38页,38,内能特点,内能是广度性质，含有加合性。,摩尔内能,U,m,=U/n,则是强度性质。,内能绝对值当前还无法测量，也不主要，我们只关心内能改变值。,比如：煤燃烧,第39页,39,7.,热与功,当体系状态发生改变并引发体系能量发生改变时，能量改变是经过体系与环境间能量传递来实现。,能量传递主要有两种形式，一个叫“,热,”，另一个叫“,功,”。,1-2,热力学基本概念,第40页,40,热,体系与环境间因温度差异造成能量传递，用,Q表示，单位,J,。,实质是物质内部质点无序运动强度不一样而引发能量传递，方向：高温,低温,体系吸热，,Q 0,体系放热，,Q 0,绝热过程，,Q=0,第41页,41,功,除热之外，体系与环境间其它形式能量传递都称为功，用,W,表示，单位,J,。,本质是体系质点定向运动而引发能量传递,体系对环境作功，,W 0,再次提醒注意，以往化学家,定义标准对于功定义恰好相反。,第42页,42,体积功与非体积功,经过体系体积改变而进行能量传递功，称为体积功，用,W,表示；,除体积功以外其它全部功，如电功、表面功，都是非体积功，用,W,表示。,第43页,43,热和功特点,都是体系所进行详细过程相联络，没有过程就没有功和热，所以称之为过程函数（路径函数）,功和热微小改变用,W,和,Q,表示，不能用,dW,或,dQ,表示，非状态函数不含有全微分性质,都是体系状态发生改变过程中与环境能量交换形式，都含有能量单位，,J,，热还习惯用,cal,做单位,1cal=4.184 J 1J=0.239 cal,功和热能够相互转换,第44页,44,（二）热力学第一定律,定义：能量不会消失，也不会产生，只能从一个形式转化成另一个形式，或从一物质转移到另一物质，即能量守恒定律,文字表述：孤立体系能量是恒定或第一类永动机不能实现,(,不用供给能量，本身也不降低能量，而连续对外作功,),第45页,45,1-3,热力学第一定律数学表示,对于封闭体系（概念）：,U=Q+W,微分形式：,dU=,Q+W,积分形式：,第46页,46,几个例子,恒 容 过 程,绝 热 过 程,隔 离 体 系,无任何交换，,U=0,W=0,U=Q,Q=0,U=W,U=Q+W,第47页,47,几个例子,某封闭体系在改变过程中，放热,100,kJ,，同时环境对体系对体系做功,200,kJ,，则：,Q=-100,kJ,W=200,kJ,U=-100+200=100,kJ,第48页,48,绝热,水,Q?,W,？,U?,几个例子,1,、以电炉丝为体系,2,、以电炉丝和水为体系,3,、以电炉丝、水、电源及其它一切有影响部分为体系,U=0,，,Q 0,（电阻丝状态未变）,Q=0,，,U 0,，,W 0,（绝热体系）,Q=0,，,U =0,，,W=0,（孤立体系）,第49页,49,1-4,体积功定义式,W=-,p,外,d,V,公式应用几点注意：,1,、功不是状态函数，不能全微分,2,、压力是指,外界压力,，而不是体系压力,3,、不论是膨胀还是压缩过程体积功，都用,p,外,d,V,表示,4,、只,pd,V,代表体积功，,p,V,、,V,dp,都不代表,第50页,50,设在定温下，一定量理想气体在活塞筒中克服外压,经,4,种不一样路径，体积从,V,1,膨胀到,V,2,环境对体系所作功。,1.,自由膨胀,（,free expansion）,2.,等外压膨胀,（,p,e,保持不变）,因为,体系所作功如阴影面积所表示。,计算体积功几个例子,第51页,3.,屡次等外压膨胀,(1)克服外压为 ，体积从 膨胀到 ；,(2)克服外压为 ，体积从,膨胀到 ；,(3)克服外压为 ，体积从 膨胀到 。,可见，外压差距越小，膨胀次数越多，做功也越多。,所作功等于3次作功加和。,计算体积功几个例子,第52页,略去一个二级无穷小,4,、恒温膨胀过程中外压一直保持比气体压力只差无限小值,计算体积功几个例子,第53页,53,从以上膨胀与压缩过程看出，功与改变路径相关。即使一直态相同，但路径不一样，所作功也大不相同。显然,，可逆膨胀，体系对环境作最大功；,可逆压缩，环境对体系作最小功。,功与过程小结：,计算体积功几个例子,第54页,例题结论,相同始态和终态，路径不一样，功不一样,路径函数,当,p,外,与,p,内,相差无限小时候，体系对环境作膨胀功最大，反过来压缩时候，环境对系统所作功最小。,该过程称作,可逆过程,。,第55页,55,可逆过程,体系经过某过程发生状态改变，若使体系反方向进行改变，当体系恢复到原态同时，环境也能恢复到原态而没有留下任何永久性改变，这个过程就称为“,热力学可逆过程,”；假如环境不能完全恢复，则为“,热力学不可逆过程,”。,第56页,56,可逆过程特点,1,、可逆过程进行时，体系无限靠近平衡态。也能够说可逆过程是由一系列连续渐变平衡态组成,2,、可逆过程进行时，推进力和阻力只差无穷小,3,、可逆过程无限迟缓，时间无限长,4,、恒温可逆过程，体系对环境做最大功,(,膨胀,),；,环境对体系做最小功,(,压缩,),5,、按原过程逆过程，体系和环境都恢复原状。,第57页,57,可逆过程特点,简而言之：,改变幅度无限小,推进力与阻力差无限小,时间无限长,能量转化效率最高,反向复原,第58页,58,可逆相变,相,：在系统中，物理和化学性质完全均一部分,相变,：体系从一个相变成另一个相过程,可逆相变,：以可逆方式进行相变,很显然，可逆相变无限慢，近平衡状态。,第59页,59,可逆相变体积功计算,可逆相变是在恒温恒压下进行，标识成,TP,1 p,100,水,H,2,O(,l,),在,1 p,下经过可逆相变变成,1 p,100,水蒸汽,H,2,O(,g,),：,第60页,60,可逆相变体积功计算,如有气体参加相变，则忽略固液相体积，假如两相都是凝聚相，则不可忽略任一方体积。,如：冰熔化,前例若深入把气相视为理想气体，更有：,第61页,61,1-5,定容及定压下热,和功一样，热也是与过程紧密相关函数，是过程函数。,显热,：不发生相改变与化学改变，因为体系与环境之间温度差异而传递热。产生显热时，体系温度要发生改变。,潜热,：体系发生相变化时产生热效应。相变时体系温度不变，所以叫做潜热。,第62页,62,定容热,定 容 过 程,对于封闭体系：,dU=,Q+W,封闭体系，,W=0,，则：,dU=,Q p,外,dV,封闭体系，,W=0,，,定容过程即,V=0,，则：,dU=,Q,即：,U=Qv,定容热即体系在定容过程中所吸收或放出热量，记做,Qv,第63页,63,定容热讨论,热是过程函数，而在三个条件下（封闭、,W=0,、定容）定容热数值上等于内能变，而内能是状态函数，只取决于体系始态和终态，与改变路径无关。,对于三类改变（简单,PVT,改变、相改变和化学改变）均适用。,U=Qv,第64页,64,热容,定义：,组成恒定封闭体系，在无相变无化学改变，,W=0,，体系升高,1K,所需吸收热量。,定义式：,简单,PVT,改变,用,而不是全微分，因为,Q,不是状态函数是过程函数，若不指明过程，则,C,也无法确定数值，通常在恒容或者恒压条件下，热容才有一定数值。,第65页,65,定容热容,C,v,定义式：,结论：,定容条件下，体系内能随温度改变改变率。,第66页,66,摩尔定容热容,热力学基础数据之一，可经过试验测定或查表得到。,应用：,注意适用范围：,封闭,、,W=0,、,简单,、,定容,变温过程,第67页,67,定 压 过 程,定压热与定压热容,U=U,2,-U,1,=Q,p,-p(V,2,-V,1,),写成：,Q,p,=(U,2,-U,1,)+p(V,2,-V,1,)=(U,2,+p,2,V,2,)-(U,1,+p,1,V,1,),组成恒定封闭体系，在无相变无化学改变，,W=0,，定压过程，热力学第一定律表示式：,第68页,68,焓,定义,Q,p,=(U,2,+p,2,V,2,)-(U,1,+p,1,V,1,)=H,2,-H,1,=H,结论：,焓是人为定义一个热力学函数。,焓是状态函数，,H,只取决于体系一直态，与路径无关。,定压热即焓变。,第69页,69,焓性质,1,、焓是状态函数,H=,f,(T,P),，则：,2,、焓是容量性质，含有加和性。,3,、焓绝对值不易求，我们只关注焓变即,H,。,4,、,H=Q,p,适用条件：封闭、,W=0,、等压,5,、,p,，,H=Q,p,=,U+pV,，非,p,，H=,U+(pV),第70页,70,定压热容,C,p,与定压摩尔热容,C,p,m,热力学基础数据之一，可经过试验测定或手册查到。,物质定压摩尔热容是温度函数，,C,p,m,=f(T),常见经验方程（多项式级数展开）：,注意适用范围：,封闭,、,W=0,、,简单,、,定压,过程,第71页,71,计算定压热（焓变）,注意：假如改变过程中有相变，热效应需要分段计算，然后求和。课后看,P,25,例,3,50,H,2,O(l),150,H,2,O(g),100,H,2,O(l),100,H,2,O(g),第72页,72,可逆相变热,恒温恒压,W=0,情况下，,1,mol,某物质发生相变时，体系与环境交换热。此处恒温恒压，指是相变温度、相变压强，此时两相共存，可逆相变。,比如，,1mol,水在,1 p,、,100,下变为水蒸汽，则说水在,100,时饱和蒸汽压为,1 p,。需要吸热,40.64,kJ,，称液态水摩尔汽化焓为,40.64,kJ mol,-1,。,热力学基础数据之一，手册可查。,注意：计算过程中应能够判断热符号，并加入符号如：汽化过程是吸热为“正”，凝固过程是放热为“负”,摩尔相变热（焓）,第73页,73,不可逆相变热,例：过冷水凝结,U?,整个过程恒压，所以,Q,p,=,H,-5,1,p,H,2,O(l),-5,1,p,H,2,O(s),H,0,1,p,H,2,O(l),0,1,p,H,2,O(s),H,1,H,2,H,3,第74页,74,体系与环境,状态与状态函数,广度性质与强度性质,过程和路径,平衡态,理想气体、状态方程,内能、摩尔内能,热、功,可逆过程与不可逆过程,相与相变,定容热,(,容,),、定压热,(,容,),誊录以下概念、表示式,pV=nRT,U=Q+W,dU=,Q+W,W=-p,外,dV,1cal=4.184 J,R=8.314 J mol,-1,K,-1,=,1.987cal mol,-1,K,-1,=,0.08206 atm l mol,-1,K,-1,第75页,75,