大学物理化学 热力学第一定律ppt课件.ppt
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1、物理化学,一、物理化学的任务和内容 用数学和物理的方法,从研究物理变化和化学变化的联系入手,探求化学变化的基本规律。(1)化学热力学:化学反应提供的能量、方向和限度(2)化学动力学:化学反应的速率和机理,二、物理化学在药学中的地位与作用药物剂型设计:药剂学 药物体内过程:药理学、药代动力学药物提取分离和合成:药物合成化学、天然药物化学三、物理化学的学习方法 1、课前预习,课上笔记,课后复习;勤于思考,勤于应用,勤于对比与总结。 2、抓住每章重点,掌握基本概念和理论,掌握公式的物理意义和使用条件。,第一章 热力学第一定律第一节 热力学概论(自学)第二节 热力学基本概念第三节 热力学第一定律第四节
2、 体积功与可逆过程 第五节 焓第六节 热容第七节 热力学第一定律的应用第八节 热化学第九节 化学反应热效应的计算 第十节 能量代谢与微量量热技术简介(自学),第二节 热力学基本概念一、系统和环境1、系统:研究的对象,包括一定量物质或一部分空间。2、环境:指体系以外与体系密切相关的部分。3、系统分类敞开体系:体系与环境即有物质交换,又有能量交换。封闭体系:体系与环境没有物质交换,只有能量交换。孤立体系:体系与环境既无物质交换,又无能量交换。,系统分类示意图,1、广度性质(extensive properties) 性质的数值与系统中物质的数量成正比,具有加和性,如体积、质量等。2、强度性质(in
3、tensive properties) 性质的数值与系统中物质的数量无关,不具有加和性,如温度、压力等。3、广度性质与强度性质的关系广度性质强度性质=广度性质如:体积V密度d=质量m,二、系统的性质,1、状态和状态函数 描述系统宏观状态的物理量如T、V、P、n等称为状态函数。状态函数的特点:(1)状态函数是状态的单一函数。 (2)状态函数的变化值取决于系统始终态,与所经历的途径无关。(3)不同状态函数的集合(和、差、积、商)也是状态函数。,三、状态函数与状态方程,例如,设某状态函数为x,2、状态方程 系统状态函数之间的定量关系式称为状态方程。理想气体的封闭系统,其状态方程为: pV = n R
4、T,当系统的所有性质或状态函数不随时间而改变时,则系统处于热力学平衡态,包括下列几个平衡:,(1)热平衡(thermal equilibrium) 系统各部分温度相等。,(2)力学平衡(mechanical equilibrium) 系统各部的压力都相等,边界不再移动。,四、热力学平衡态,(3)相平衡(phase equilibrium) 多相共存时,各相的组成和数量不随时间而改变。,(4)化学平衡(chemical equilibrium ) 反应系统中各物的数量不再随时间而改变。,五、过程和途径 状态发生变化的经过简称过程,完成状态变化所经历的具体步骤或一系列过程称为途径。1、恒温过程(i
5、sothermal process):温度恒定T始态= T终态= T环境2、恒压过程(isobar process):压强恒定 P始态= P终态= P环境 3、恒容过程(isovolumic process):体积恒定 V始态= V终态4、绝热过程(adiabatic process):无热交换Q = 05、循环过程:由某一状态经一系列变化又回到始态,1、热(heat): 系统与环境之间因温差而传递的能量称为热,用符号Q 表示。,系统吸热,Q 0;,系统放热,Q 0 。,2、功(work):系统与环境之间传递的除热以外的其它能量都称为功,用符号W表示。,系统得功,W 0,系统作功,W 0,六、
6、热和功,说明:热和功不是系统的状态函数,它们与系统变化的途径有关。,(1)体积功(We) 系统发生体积变化时所做的功。We= - fe.dl= - pe.A.dl= - pedVWe= - pedV We= - peV(2)非体积功( Wf) 除体积功以外的所有其他功。,第三节 热力学第一定律一、热力学第一定律 能量守恒定律二、热力学能(内能) 系统内部一切能量形式的总和。 内能是状态函数,有加合性。理想气体的内能只是温度的函数,温度确定,内能确定。三、热力学第一定律的数学表达式U = Q + W 或 dU = Q +W U:系统内能变化 Q:系统从环境吸收的热量 W:系统从环境中得到的功。,
7、例题1:计算下列系统内能的变化。 (1)系统放出2.5kJ的热量,并且对环境作功500J。 (2)系统放出650J的热量,环境对系统作功350J。解: (1)U = Q + W = -2500 - 500 = - 3000J (2)U = Q + W = -650 + 350 = - 300J,W = -pedV,第四节 体积功与可逆过程,一、体积功,例如:自由膨胀,pe =0,再如:恒外压膨胀,二、恒温过程的体积功,1.恒外压膨胀(pe恒定),W,V1,V2,P1 V1 T,P2 V2 T,2.多次恒外压膨胀,W,W= -piVi,3.准静态膨胀,W,理想气体恒温准静态膨胀,膨胀:pe p,
8、 W = -pedV,准静态膨胀体系作最大功,4.恒外压压缩在恒定外压pe下将气体从V2压缩到V1,环境所做的功为 W = - pe(V1V2),W,5.多次恒外压压缩,W2,6.准静态压缩,W,理想气体的恒温准静态压缩,压缩:pe p, W = -pedV,准静态压缩环境作最小功,结论:功与变化的途径有关。准静态膨胀,系统对环境作最大功;准静态压缩,环境对系统作最小功。,一次膨胀,一次压缩 系统得功放热 环境失功得热三次膨胀,三次压缩 系统得功放热 环境失功得热准静态膨胀与压缩 系统复原 环境复原,体系经过某一过程从状态1变到状态2之后,如果能使体系和环境都恢复到原来的状态而未留下任何永久性
9、的变化,则该过程称为热力学可逆过程。,三、可逆过程,可逆过程的特点:(1)可逆过程进行时,体系始终无限接近于平衡状态。可以说,可逆过程是由一系列连续的、渐变的平衡状态所构成。(2)可逆过程进行时,过程的推动力和阻力只相差无限小。(3)按照与原来途径相反的方向进行,可使体系和环境完全恢复原态。(4)体系在可逆过程中作最大功,环境在可逆过程中作最小功,可逆过程做功的效率最大。,例题1:2mol理想气体在298K时,分别按下列三种方式从15.00dm3膨胀到40.00 dm3:(1)自由膨胀;(2)恒温可逆膨胀;(3)恒温对抗100kPa外压下膨胀。求上述三种过程的Q、W、U。解:(1)自由膨胀过程
10、,,温度不变,所以:U0,(2)恒温可逆膨胀:U=0,(3)恒外压膨胀U=0,例题2:4mol氢气在298K时,从1atm可逆恒温压缩到5atm ,求上述过程的Q、W、U。,解:恒温可逆膨胀:U=0,第五节 焓,恒容过程,体积功为零,上式可写成:,或,一、恒容过程的热效应封闭系统在不做非体积功的情况下,热力学第一定律可写成:,结论:在不做非体积功的情况下, 恒容过程中的热效应等于系统的热力学能变。注意:QV不是状态函数,二、恒压过程中的热效应 恒压下:p1= p2= pe,规定 :H = U + pV ,H 叫做焓(enthalpy),单位J。与内能相同,理想气体的焓只与温度有关。,在不做非体
11、积功的条件下,恒压过程中的热效应Qp等于系统的焓变。注意: Qp不是状态函数,例题3:20mol氧气,在p=750mmHg的恒压下加热,使其体积自1000升膨胀至2000升,已知体系吸热352kJ,求过程中的Q、W、U、 H 。解: Qp=352kJ H =Qp=352kJ W = -pe(V2-V1) =(750/760)101325 (2000-1000) 10-3 =100kJ U=Qp+W=352-100=252kJ,练习1:10克二氧化碳,在270C自5升恒温可逆膨胀至10升,求过程中的Q、W、U、 H 。 解: U=H = 0,第六节 热容,一、热容 C 在不做非体积功的情况下,一
12、个不发生化学变化和相变化的封闭系统,温度每升高10C所需要的热。,单位,二、恒容热容 CV和摩尔恒容热容 CV,m封闭系统在恒容过程中温度每升高10C所需要的热称为恒容热容。1mol物质在恒容过程中温度每升高10C所需要的热称为恒容热容。,在不做非体积功无相变和化学变化的的情况下,若CV.m为常数,在不做非体积功无相变和化学变化的情况下,若Cp为常数,三、恒压热容 Cp和摩尔恒压热容 Cp,m封闭系统在恒压过程中温度每升高10C所需要的热称为恒压热容。1mol物质在恒压过程中温度每升高10C所需要的热称为恒压热容。,练习2:压缩机气缸内(绝热)吸入1atm,250C的空气,压缩到1.9atm,
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