热力学基本概念和基本定律.ppt

,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，Ka=1.9103 T=773K，Ka=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 GT，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：3107Pa,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 H2O H2+O2（光照、电化学过程）热力学指出某条件下能进行的过程 H2+O2H2O（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（p1，V1，T1）1mol,20,2atm水（p2，V2，T2）(末态,状态2)V=V2-V1 p=p2-p1 T=T2-T1 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,