热力学基本概念和基本定律.ppt

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,物理化学,Physical Chemistry,参考书,1,工科大学化学,，张平民等，湖南教育出版社,2,物理化学,，南京大学物理化学教研室，傅献彩等，高等教育出版社,3,物理化学,，天津大学物理化学教研室，宋世谟等，高等教育出版社,4,物理化学,，胡英等，高等教育出版社,(,面向,21,世纪课程教材,),绪 论,一,.,物理化学研究内容及对象,1.,什么叫物理化学,?,化学反应常伴有物理性质的变化，如体积、压强、热、电、光,效应。,物理因素的变化（,T,、,p,、,c,、光照、,磁场、微波、超声波）可能引起化学反应的变化。,微观物理运动状态（分子中电子运动、原子转动与振动,分子中原子间的相互作用）直接决定物质反应性质及反应能力。,一些物理现象反映化学本质。,1.,什么叫物理化学,?,从化学现象与物理现象的联系去寻找,化学变化的规律性,即用物理的理论和实验方法来研究化学的,一般理论问题，即,化学反应过程：,能量的转换,方向、限度,速率、机理,2.,物理化学的研究内容,科学体系,化学热力学和统计热力学,：研究化学变化的方向和限度、能量变化,平衡性质,化学动力学,：化学反应的速率和机理,物质结构,：研究物质结构（微观,化学键）与化学性能（宏观）的关系，称结构化学,研究对象,电化学反应性质,电化学,溶液性质,溶液化学,表面性质,表面化学,胶体性质,胶体化学,例：,T=298K,，,K,a,=1.910,3,T=773K,，,K,a,=3.810,-3,（,最大产量）,化学热力学,：,低温高压,化学动力学,：,高温高压催化剂,(,低温高压下反应速率很小,),本期内容,：化学热力学,1),热力学第一定律,2,）热化学,3,）热力学第二定律,4,）热力学第三定律,5,）热力学势函数和基本方程,(,第,2,章,),6,）溶液热力学及活度,(,第,3,章,),7,）化学反应热力学及化学平衡,(,第,4,章,),8,）相平衡热力学与相图,(,第,5,章,),热力学基本概念和基本定律,(,第,1,章,),下期内容,：,1,）化学动力学,(,第,7,章,),2),电解质溶液,电化学（,第,8,章,）,3,）电池反应热力学,电化学（,第,9,章,）,4,）电极过程,电化学（,第,10,章,）,5,）表面化学与胶体化学基础（,第,11,章,）,二、物理化学研究方法,1.,一般方法,：,一般自然科学研究方法,现象,1,）实验 假设或建立模型,新实验验证,2,）归纳：个别,一般,3,）演绎,:,一般,个别,2.,特殊方法,1,）宏观（唯象）,热力学方法,状态函数法：,始态,末态 ,G,T,，,P,=G,末态,G,始态,理想模型法：,理想气体、理想溶液、卡诺循环、,可逆过程,动力学方法：速率方程 动力学方程2,）微观,量子化学：电子运动,化学键,物理化学,统计力学：单个（少量粒子）,大量粒子,大量粒子微观运动 宏观表现,微观动力学：分子反应动力学、过渡态理论,三、如何学好物理化学,1.,兴趣：,物质（体系）发生过程物理化学原理,2.,基本概念,:,状态函数,强度性质,容量性质，热力学能，焓,熵，,Gibbs,自由能,，,Helmholtz,自由能,3.,理想模型：理想气体，理想溶液，卡诺循环,可逆过程，实际过程加以校正,4.,了解推理过程，掌握公式应用条件,5.,习题、实验,6.,多次反复学习，加深理解,7.,注意与无机化学讲述的内容相联系,四、要求：,作业、实验、期中考试（习题课）、笔记,分析问题、解决问题的思路与方法！,“授人以渔”！,期末考试！,第一章 热力学基本概念和基本定律,本章要求：,严格掌握热力学的一些基本概念和三个基本定律（热力学第零定律）,；,熟悉基本概念和定律的简单应用；,了解热力学的科学框架。,第一章 热力学基本概念和基本定律,1,化学热力学的科学框架,一、概述,问题：,一定条件下，过程能否自动进行,一定条件下，过程的限度及最大产量,过程的能量转换（热、功等）。,热力学内容：三个经验定律（热力学第零定律）,热力学第一定律,：第一类永动机不可能，对过程能量转换进行计算。,热力学第二定律,：第二类永动机不可能，判断过程进行方向、限度、化学平衡、相平衡。,热力学第三定律,：绝对零度不可能用有限手段达到。,例：,热力学：,3,10,7,Pa,773K,最大产量,26%,，放热,热力学特点：,1),经验性的,2),不涉及物质的微观结构，不能说明过程发生的根本原因,为宏观经验定律,3),肯定不足，否定有余。,热力学指出某条件下不能进行的过程,H,2,O,H,2,+O,2,（光照、电化学过程）,热力学指出某条件下能进行的过程,H,2,+O,2,H,2,O,（,高温高压、催化剂）,热力学计算得到过程限度,表明过程,可能进行的最大限度,二、热力学基本概念,1.,体系与环境,体系,：研究对象，又称系统、物系。若研究热力学性质,，,称热力学体系。,环境,：体系之外与体系有关,的物质总称。,分类,根据能量和物质交换的不同,：,1,）,开放体系：,既有物质交换，又有能量交换。,2,）,封闭体系,：,无物质交换，但有能量交换，若未加说明，均指封闭体系。,3,）,隔离体系：,无物质及能量交换,理想情况,按组分分类：,单组分（元）体系：水,-,水蒸气,多组,分（元）体系：,Fe-Zn,水,-,乙醇,按物相分类：,单相体系：溶液,多相体系：水,-,水蒸气,分类,:,容量性质,又称广,延,(,广度,),性质：其数值与物质的量成正比,具有加和性。例：,V,m,S,，,U,，,H,，,G,，,A,强度性质,：,其数值取决于体系自身的特性，与体系的数量无关，不具有加和性。例：T,p,2.,热力学性质,:,体系,宏观可测性质,或与热、功、能有关的体系性质，,如：质量,(m),，,体积,(V),，,压力,(p),，,温度,(T),，,粘度,(),，,表面张力,(,),，组成,(c),，,能量,(E),，,密度,(,),，,焓,(H),，,熵,(S),，,热力学能,(U),，,Gibbs,自由能,(G),，,Helmholtze,自由能,(A),。,注意：容量性质与强度性质可以相互转换。,3.,状态与过程,1,）状态：体系物理性质和化学性质的,综合表现,。,状态,热力学性质,(,强度性质或容量性质,),question:,是否需要所有热力学性质确定，状态才能确定？,一般来说，若无化学反应，对只含一种物质的封闭体系，只要指定两个强度性质即可求得其他强度性质。,已知总量即可求得广度性质（容量性质）,热力学研究,(,常见,),状态,：,平衡态,(,热力学平衡,),定态,不改变环境条件下所有热力学性质不随时间改变,且体系内部及系统与环境间没有任何宏观的物质流或能量流,热平衡,：各处温度相等,dT,=0,力平衡,：各处压强相等，,dp,=0,相平衡,：各相组成、数量不变，无净物质转移,化学平衡,：各处组成不变，,dc=0,平衡态是非平衡态的极限状态，对于隔离体系，经过足够长的时间，必将处于唯一的平衡态，且永远保持不变,2,）过程：状态变化，实现这一变化的具体步骤称为途径。,分类,：,根据状态变化前后体系热力学性质改变及途径的不同,恒温过程：,T,体系（始）,=T,体系（末）,=T,环境,=const,恒压过程：,p,体系（始）,=p,体系（末）,=p,环境,=const,恒容过程：,V=const,恒温恒压过程,恒温恒容过程，恒温可逆过程,绝热过程：,Q=0,循环过程,简单状态变化过程：,T,，,p,，,V,变化,化学变化过程,相变过程,根据有无相变及化学反应分：,4,状态函数,1,）,状态函数,：描述体系状态的参数。,状态,状态函数,（不涉及途径）,状态,热力学性质,热力学性质,状态函数,（体系宏观可测性质）,(,常指,T,p,V,U,H,G,A,S)2,）,状态函数变量,：体系由某一状态开始（始态），变至另一终了状态（末态），状态函数的变化值。,例,:,(,始态,状态,1),1mol,15,1atm,水（,p,1,，,V,1,，,T,1,）,1mol,20,2atm,水（,p,2,，,V,2,，,T,2,）,(,末态,状态,2),V=V,2,-V,1,p=p,2,-p,1,T=T,2,-T,1,特点：状态函数变量只与始末态有关，与变化的路径无关。,3,）状态函数的特点,是体系状态的单值函数。,体系状态变化时，状态函数的变化值只与始末态有关，与路径无关,与全微分相当,。,例：,若,n,，,V,不变,循环过程状态函数变量为零。,三、状态函数法,：利用状态函数的,特性,来研究热力学问题。,例：,H,1atm,，,15,水,1atm,，,15,冰,H,1,H,3,1atm,，,0,水,1atm,，,0,冰,H,2,