热力学第一定律热化学化学反应方向市公开课金奖市赛课一等奖课件.pptx

n热力学第一定律力学第一定律n热化学化学n化学反化学反应方向方向第二章第二章 热化学热化学第第1页页第第1页页第第 二二 章章 热热 力力 学学热力学研究对象热力学研究对象研究研究热、功和其它形式能量之、功和其它形式能量之间互相互相转换及其及其转换过程中所遵循程中所遵循规律；律；研究各种物理改研究各种物理改变和化学改和化学改变过程中所程中所发生能量效生能量效应；研究化学改研究化学改变方向和程度。方向和程度。第第2页页第第2页页第第 二二 章章 热热 力力 学学热力学办法和不足热力学办法和不足研究研究对象是大数量分子集合体，研究宏象是大数量分子集合体，研究宏观性性质，所得所得结论含有含有统计意意义。只考只考虑改改变前后前后净结果，不考果，不考虑物物质微微观结构构和反和反应机理。机理。能判断改能判断改变能否能否发生以及生以及进行到什么程度，但行到什么程度，但不考不考虑改改变所需要所需要时间。热力学办法：热力学办法：不足：不足：不知道反应机理、速率和微观性质，只不知道反应机理、速率和微观性质，只讲也许性，不讲现实性。讲也许性，不讲现实性。第第3页页第第3页页第第 二二 章章 热热 力力 学学1.1.体系与环境体系与环境体系体系体系体系环环环环境境境境体系：体系：人为划分出来研究对象人为划分出来研究对象环境：在体系周围和体系密切相关就是环境环境：在体系周围和体系密切相关就是环境2.1热力学基本概念热力学基本概念第第4页页第第4页页第第 二二 章章 热热 力力 学学体系分类体系分类（1）敞开体系（）敞开体系（open system）体系与体系与环境之境之间既有物既有物质互互换，又有能又有能量互量互换。第第5页页第第5页页第第 二二 章章 热热 力力 学学（2）封闭体系（）封闭体系（closed system）体系与体系与环境之境之间无物无物质互互换，但，但有能量互有能量互换。第第6页页第第6页页第第 二二 章章 热热 力力 学学（3）孤立体系（isolated system）体系与体系与环境之境之间既无物既无物质互互换，又无能量互又无能量互换，故又称故又称为隔离体系隔离体系。有。有时把封把封闭体系和体系影响所体系和体系影响所及及环境一起作境一起作为孤立体系来考孤立体系来考虑。Flash第第7页页第第7页页第第 二二 章章 热热 力力 学学2.2.状态和状态函数状态和状态函数n体系中全部物理性体系中全部物理性质质和化学性和化学性质总质总和即和即为为状状态态。也就是。也就是说说一个体系物理性一个体系物理性质质和化学和化学性性质质都确定了，都确定了，则则称称为为一个状一个状态态。n对对于一个体系来于一个体系来说说当其当其处处于不同状于不同状态时态时，其，其性性质质必定有所不同。必定有所不同。这这些用来描述要求状些用来描述要求状态态性性质质用数学用数学术语术语来来讲讲称它称它们为们为“状状态态函数函数”。n状状态态由一些物理量来确定，如气体状由一些物理量来确定，如气体状态态由由P、V、T、n 等来确定，等来确定，P、V、T、n 等均是等均是状状态态函数。函数。n气体状气体状态态可由可由压压力、体力、体积积、温度及各、温度及各组组分物分物质质量状量状态态函数来决定。假如其中一个或多个函数来决定。假如其中一个或多个物理量物理量发发生改生改变时变时，体系即由一个状，体系即由一个状态变为态变为另一个状另一个状态态。第第8页页第第8页页第第 二二 章章 热热 力力 学学状态函数性质状态函数可分为两类：状态函数可分为两类：广度性质：广度性质：其量值其量值含有加和性含有加和性，如体积、质量等。，如体积、质量等。强度性质：强度性质：其量值其量值不含有加和性不含有加和性，如温度、压力，如温度、压力等。等。思考思考：力和面积是什么性质物理量？它们商即压强力和面积是什么性质物理量？它们商即压强(热力热力学中称为压力学中称为压力)是强度性质物理量。由此能够得出什么结论是强度性质物理量。由此能够得出什么结论？推论推论：摩尔体积、密度是什么性质物理量？摩尔体积、密度是什么性质物理量？答：力和面积都是广度性质物理量。结论是两个广度性答：力和面积都是广度性质物理量。结论是两个广度性质物理量商是一个强度性质物理量。质物理量商是一个强度性质物理量。第第9页页第第9页页第第 二二 章章 热热 力力 学学3.3.过程和路径过程和路径n体系状体系状态发态发生改生改变变，从始，从始态态到到终态经过终态经过称称过过程。程。n改改变过变过程可采取不同方式来完成，完成程可采取不同方式来完成，完成这这个个过过程程详细详细方式称路径。方式称路径。n等温等温过过程：反程：反应应前后温度不前后温度不变变（T=0）n等等压过压过程：反程：反应应前后前后压压力不力不变变（P=0）n等容等容过过程：反程：反应应前后体前后体积积不不变变（V=0）n绝热过绝热过程：反程：反应应中体系与中体系与环环境无境无热热量互量互换换 Q=0）第第10页页第第10页页P3=303.9kPaT3=473KV3=0.845m3p1=101.3kPaT1=373KV1=2m3p2=202.6kPaT2=373KV2=1 m3 （I）加加 压压（II）加压、升温加压、升温减压、降温减压、降温始始 态态终终 态态理想气体两种不同改变过程理想气体两种不同改变过程第第11页页第第11页页第第 二二 章章 热热 力力 学学状态函数特性n状状态态函数改函数改变变只决定于体系始只决定于体系始态态和和终态终态，而与改而与改变变路径无关。路径无关。n如：一定量理想气体状如：一定量理想气体状态态改改变变，它由始，它由始态态p1=1.01105Pa，T1=298K变变为为p2=2.02105Pa，T2=398K。此。此过过程能程能够够有以下两种不同路径：有以下两种不同路径：第第12页页第第12页页始态始态恒温过程恒温过程p2=2.02105PaT1=298K恒压过程恒压过程p2=2.02105PaT2=398K终态终态恒温过程恒温过程p1=1.01105PaT2=398K恒压过程恒压过程p1=1.01105PaT1=298K第第13页页第第13页页第第 二二 章章 热热 力力 学学4.4.热力学能热力学能n体系内部体系内部储存存总能量称能量称为热力学能力学能(U)。n系系统内部运内部运动能量能量总和。内部运和。内部运动包括分子包括分子平平动、转动、振、振动以及以及电子运子运动和核运和核运动。热力学能特性：热力学能特性：状态函数状态函数无绝对数值无绝对数值广度性质广度性质第第14页页第第14页页第第 二二 章章 热热 力力 学学5.5.热和功热和功n（没有（没有过过程就没有程就没有热热和功）和功）n体系与体系与环环境之境之间间因温度不同而互因温度不同而互换换或或传递传递能能量称量称为热为热(Q)。n要求：体系从要求：体系从环环境吸境吸热时热时，Q为为正正值值，Q0；n 体系向体系向环环境放境放热时热时，Q为负值为负值，Q0。n除除热热之外，体系与之外，体系与环环境之境之间间以其它形式互以其它形式互换换或或传递传递能量称能量称为为功（功（W）。）。n功可分功可分为为膨膨胀胀功和非膨功和非膨胀胀功两大功两大类类。Q和和W都不是状态函数，其数值与改变路径相关。都不是状态函数，其数值与改变路径相关。第第15页页第第15页页第第 二二 章章 热热 力力 学学2.2 热力学第一定律热力学第一定律 U=Q +W (封闭体系）U：系系统内能改内能改变；Q：系统吸取热；系统吸取热；W:系统对环境所做功，能够是机械功、电功、系统对环境所做功，能够是机械功、电功、体积膨胀功等。体积膨胀功等。The First Law Of Thermodynamics要求：要求：系统对环境做功，系统对环境做功，W 为负值，为负值，W0。第第16页页第第16页页第第 二二 章章 热热 力力 学学可逆路径可逆路径封闭系统等温过程中，抱负气体压力封闭系统等温过程中，抱负气体压力p和体积和体积V之间关系称为之间关系称为抱负气体等温线抱负气体等温线：pV当系统从始态变到终态时，能够有各种路径：经恒外压p2：经恒外压p 膨胀到平衡，再经恒外压p2：始态始态(p1,V1)终态终态(p2,V2)p2p1V1V2W1W2pV中间态中间态(p,V)显然，|W2|W1|思考思考：经什么路径系统能够做最大功？答：外压无限靠近系统压力时。答：外压无限靠近系统压力时。抱负气体体积功第第17页页第第17页页第第 二二 章章 热热 力力 学学可逆过程体积功可逆过程体积功*拣去沙子拣去沙子设砝码对系统施加了p2压力，砝码和砂子施加了p1压力，当将砂子一粒一粒地拣去，系统沿下图折线从始态变到终态。piViPi+1拣去一粒砂子，系统压力从pi+1变为pi，同时系统体积改变为Vi，这一微小过程中系统做功：pi Vi，整个过程中做功：当砂子足够小时，pi能够用系统压力来代替。pi=nRT/Vi,并能够用积分代替加和：(p1,V1)(p2,V2)可逆过程体积功第第18页页第第18页页第第 二二 章章 热热 力力 学学2.3 热化学热化学在化学反应过程中，当生成物温度与反应物温度相同，化学反应过程中吸取或放出热量称为化化学学反反应热效效应(反反应热)。一、一、化学反应热效应化学反应热效应恒容热效应恒容热效应(Qv)恒压热效应恒压热效应(Qp)第第19页页第第19页页第第 二二 章章 热热 力力 学学1.恒容反应热恒容反应热 Qv在恒容在恒容过程中完程中完毕化学反化学反应称称为恒容恒容反反应，其，其热效效应称称恒容反恒容反应热。依据依据热力学第一定律：力学第一定律：U=Qv +W 而而WpV 因是恒容反因是恒容反应过程程V0，故，故W0 因此因此 U=Qv 在恒容反在恒容反应过程中，体系吸取程中，体系吸取热量所有用于量所有用于改改变体系内能。体系内能。当当 U 0,则Qv 0，吸，吸热反反应；反之放；反之放热。第第20页页第第20页页第第 二二 章章 热热 力力 学学恒容反应热 Qv测量弹式量热计弹式量热计QV=T(C1+C2)第第21页页第第21页页第第 二二 章章 热热 力力 学学如如图所表示所表示弹式量式量热计可用于可用于测定燃定燃烧热。Q放放=Q吸吸 Qv =Q水水+Q弹设：水浴中水量：水浴中水量为 m(g),水比水比热是是4.18 J g-1 C-1,温升温升为 t C，则：Q水水=4.18 m t Q弹=C t C 是量是量热计常数，可由原常数，可由原则物物质（如苯（如苯甲酸）甲酸）进行行标定。定。绝热外套绝热外套钢弹（氧弹）钢弹（氧弹）弹式量热计弹式量热计第第22页页第第22页页第第 二二 章章 热热 力力 学学2.恒压反应热 Qp由热力学第一定律：由热力学第一定律：U=Q+W体系对外作功：体系对外作功：W=-pV=-p（V2 V1）U=Qp+W=Qp p（V2 V1）U2 U1=QP p（V2 V1）QP=（U2+pV2）-（U1+pV1）令 H U pV H：新函数新函数-焓焓 则 Qp=H2 H1 =H（H称为焓变）称为焓变）在在恒恒压压反反应应过过程程中中，体体系系吸吸取取热热量量所所有有用用于于改变体系热焓。改变体系热焓。第第23页页第第23页页第第 二二 章章 热热 力力 学学恒压反应热 Qp测量如如图所表示保温杯式量所表示保温杯式量热计可用于可用于测定中和定中和热、溶解、溶解热等溶液反等溶液反应热效效应。(大气大气压下下测定定)Q放放=Q吸吸 Qp =Q溶液溶液+Q杯杯设：c 为溶液比溶液比热；V 为反反应后溶液后溶液总体体积；为溶液密度；溶液密度；C 叫做量叫做量热计常数，常数，它代表量它代表量热计各部件各部件热容量之容量之总和，即和，即量量热计每升高每升高1 C所需所需热量。又量。又设溶溶液温升液温升为 t=t终 t始始则：Qp=c V t+C t 第第24页页第第24页页第第 二二 章章 热热 力力 学学焓(H)与焓变(H)(Enthalpy)H，H 为状状态函数函数。H 反反应了化学反了化学反应热效效应。H 为广度量（容量性广度量（容量性质）,即与物即与物质量相关量相关系量。系量。第第25页页第第25页页第第 二二 章章 热热 力力 学学3.3.反应进度反应进度反应进度反应进度 定义：定义：反应进度量纲是摩尔（反应进度量纲是摩尔（mol），它与化学计量），它与化学计量数选配相关。数选配相关。第第26页页第第26页页第第 二二 章章 热热 力力 学学4.Q4.Qp p和和Q Qv v关系关系 Qp=HQv=U H=U+p V=U+nRT Qp=Qv+nRT对对于有气体参与反于有气体参与反应应，V 0,Qp Qv对对液液态态和固和固态态反反应应，Qp Qv,H U H+吸吸热热反反应应；H-放放热热反反应应第第27页页第第27页页第第 二二 章章 热热 力力 学学思考思考27 C时,将将100 g Zn 溶溶于于过量量稀稀硫硫酸酸中中,反反应若若分分别在在开开口口烧杯杯和和密密封封容容器器中中进行行,那种情况放那种情况放热较多多?多出多少多出多少?解答：解答：在开口烧杯进行时热效应为在开口烧杯进行时热效应为Qp,在密在密封容器中进行时热效应为封容器中进行时热效应为Qv,后者因不做膨后者因不做膨胀功故放热较多胀功故放热较多,多出部分为多出部分为nRT=(100/65.4)8.314300=3814 J第第28页页第第28页页第第 二二 章章 热热 力力 学学例例2:在在101.3kPa条件下，条件下，373K时，反应时，反应2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)等压反应热是等压反应热是-483.7kJmol1，求生求生成成1molH2O（g）反应时等压反应热反应时等压反应热QP 及恒容反应热及恒容反应热QV。解：解：由于由于H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g)反应在等压条件下进行，反应在等压条件下进行，Qp=H=1/2(-483.7)=-241.9kJmol1第第29页页第第29页页第第 二二 章章 热热 力力 学学求求 QVH2(g)+1/2O2(g)=H2O(g)期期间间体物体物质质化学化学计计量数量数B(n)=-0.5，pV=BRT=-0.5 8.314 373=-1.55kJmol1Qp=Qv+nRTQv=Qp nRT=-241.9(-1.55)=-240.35kJmol1第第30页页第第30页页第第 二二 章章 热热 力力 学学5.5.摩尔焓变反应热（摩尔反应热）摩尔焓变反应热（摩尔反应热）按给定方程式，当反应进程按给定方程式，当反应进程时焓变叫摩尔焓变（摩尔反应热）时焓变叫摩尔焓变（摩尔反应热）。记作记作 。思考：思考：N2 3H2 2NH3 和和摩尔反应热是否相同？摩尔反应热是否相同？第第31页页第第31页页第第 二二 章章 热热 力力 学学利用焓变计算内能改变量利用焓变计算内能改变量在在101.3 kPa 和和100 C 条件下，反条件下，反应：H2(g)+1/2 O2(g)=H2O(g)H=-241.8 kJ/mol，求求 U.解：解：U=H P V 恒温、恒恒温、恒压过程，程，P V=ng RT ng 为产物和反应物气体量之差。为产物和反应物气体量之差。U=H ng RT =-241.8(1 1.5)8.31 10-3 373 =-241.8 (-1.50)=-240(kJ/mol)能能够看出，看出，ng RT项相相对于于 H 项数数值小得多，普通来小得多，普通来说能能够用用 H 来近似估算来近似估算 U。（。（Qp Qv)第第32页页第第32页页第第 二二 章章 热热 力力 学学二、热化学方程式二、热化学方程式 标明反应热效应方程式标明反应热效应方程式 C(石墨石墨)+O2(g)=CO2(g)T:298K,r:reaction(化学反应）化学反应）m:mol(摩尔）摩尔）注意注意：标明物质聚积状态（标明物质聚积状态（g，l，s），要注明反应温度），要注明反应温度和压强条件，假如是在和压强条件，假如是在298K和和1.013105Pa下进下进行，习惯上可不注明；行，习惯上可不注明；反应物、产物要配平，配平系数只表示计量数，反应物、产物要配平，配平系数只表示计量数，不表示分子数。不表示分子数。反应焓变（热改变），是指反应焓变（热改变），是指“1mol反应反应”，与与反反应式写法相关。应式写法相关。第第33页页第第33页页第第 二二 章章 热热 力力 学学热效应计算热效应计算有些化学反应有些化学反应 H H 是无法是无法直接测定，需计算，办法：直接测定，需计算，办法：n反反应热加合定律（加合定律（Hess定律）定律）n原原则生成生成焓第第34页页第第34页页第第 二二 章章 热热 力力 学学2.4 反应热加合定律（反应热加合定律（Hess定律）定律）一个反一个反应若能分解成若能分解成2步或几步步或几步实现，则总反反应 H等于各分步反等于各分步反应 H值之和。之和。比如：比如：(1)C(石墨石墨)+O2(g)=CO2(g)=-393.5 kJ/mol (2)CO(g)+O2(g)=CO2(g)=-283.0 kJ/mol (3)C(石墨石墨)+O2(g)=CO(g)=?反反应(3)=反反应(1)反反应(2)=-110.5 kJ/mol第第35页页第第35页页第第 二二 章章 热热 力力 学学2.5 原则生成焓（原则生成热）原则生成焓（原则生成热）n在在标态和和 T(K)条件下，由条件下，由稳定定态单质生成生成 1mol 化合物（或不化合物（或不稳定定态单质或其它物或其它物质）时焓变叫做叫做该物物质在在T(K)时原原则生成生成焓。记作作n标态：固体和液体固体和液体为纯相，溶液中相，溶液中mA=1molkg-1或或1moldm-3。n稳定定态单质：在在标态及指定温度下及指定温度下能能稳定存在定存在单质。稳定定态单质生成生成焓等于零。等于零。如：如：H2(g),Hg(l),Na(s)是是H2(l),Hg(g),Na(g)否否C(石墨）是石墨）是C(金刚石）否金刚石）否白磷白磷是是红磷红磷否否第第36页页第第36页页问题：H2(g，105Pa)+1/2Br2(g，105Pa)=HBr(g)rHm(298）是不是HBr(g)生成焓？HBr(g)fHm(298）应当是什么？H2(g，105Pa)+1/2Br2(l，105Pa)=HBr(g)第第37页页第第37页页第第 二二 章章 热热 力力 学学关于原则生成焓(1)同一物质不同聚集态下，标准生成焓数值不同同一物质不同聚集态下，标准生成焓数值不同 fHm（H2O，g）=-241.8 kJ mol-1 fHm（H2O，l）=-285.8 kJ mol-1(2)只有最稳定单质标准生成热才是零；只有最稳定单质标准生成热才是零；fHm（C，石墨），石墨）=0 kJ mol-1 fHm（C，金刚石），金刚石）=1.9 kJ mol-1(3)附录中数据是在附录中数据是在 298.15K下数据下数据;(4)同一物质在不同同一物质在不同 温温 度下有不同标准摩尔生成热度下有不同标准摩尔生成热(5)离子生成热：指从稳定单质生成离子生成热：指从稳定单质生成1mol溶于足够大量水成为溶于足够大量水成为无限稀释溶液时水合离子所产生热效应无限稀释溶液时水合离子所产生热效应.第第38页页第第38页页第第 二二 章章 热热 力力 学学化学反应焓变计算 H=i Hf(生成物生成物)i Hf(反反应物物)例例1：3 Fe2O3(s)+CO(g)=2 Fe3O4(s)+CO2(g)H=2 Hf,Fe3O4(s)+Hf,CO2(g)3 Hf,Fe2O3(s)+Hf,CO(g)=2(-1118）+（-393.5)(查表）表）3(-824.2)+(-110.5)=-46.4(kJ/mol)第第39页页第第39页页第第 二二 章章 热热 力力 学学例例2:计算计算CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)反应热效应反应热效应解：解：CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)查表查表:fHm/kJ mol-1-1206.9-635.6-393.5 rHm=(-635.6)+(-393.5)(-1206.9)=177kJ mol-1吸热反应。吸热反应。例例3:计算计算3C2H2(g)=C6H6(g)反应热效应。反应热效应。解：解：3C2H2(g)=C6H6(g)查表：查表：fHm/kJ mol-122783 rH m=833227=598kJ mol-1这一反应是放热反应，反应热为这一反应是放热反应，反应热为598kJ mol-1。第第40页页第第40页页第第 二二 章章 热热 力力 学学2.6 燃烧焓燃烧焓(原则摩尔生成焓原则摩尔生成焓)在在100kPa压强下下1mol物物质完全燃完全燃烧时热效效应叫做叫做该物物质原原则摩摩尔燃燃烧焓（原原则摩摩尔生成生成焓）。第第41页页第第41页页第第 二二 章章 热热 力力 学学利用原则生成焓数据计算燃烧焓利用原则生成焓数据计算燃烧焓例例:试利用原则生成焓数据计算乙炔燃烧焓试利用原则生成焓数据计算乙炔燃烧焓解：乙炔燃烧反应：解：乙炔燃烧反应：C2H2(g)+5/2O2(g)=2CO2(g)+H2O(l)fH m/kJ mol-1226.8 393.5 285.3 rH m=2(393.5)+(285.3)(226.8)=1299.7kJ mol-1第第42页页第第42页页第第 二二 章章 热热 力力 学学本章小结本章小结热效效应定定义与与测量：量：焓与与焓变（H,H)H=QP H计算算:Hess 定律、原定律、原则生成生成焓、燃、燃烧焓 H意意义：H 0 放热反应，放热反应，反应容易进行反应容易进行 H 0 吸热反应，吸热反应，反应不容易进行反应不容易进行H2O(s)=H2O(l)H =6.01 kJ/mol 第第43页页第第43页页第第 二二 章章 热热 力力 学学本章作业本章作业nP4042：2、7、10、14第第44页页第第44页页