物理化学堂课课件.pptx

1、物理化学简明教程物理化学简明教程 （第四版）（第四版）山东大学山东大学 印永嘉印永嘉 奚正楷奚正楷北京师范大学北京师范大学 李大珍李大珍 高等教育出版社高等教育出版社绪绪 论论1、 什么是物理化学什么是物理化学2 、物理化学主要研究的问题、物理化学主要研究的问题3 、学习物理化学课程的要求、学习物理化学课程的要求上一内容下一内容回主目录返回1 1、什么是物理化学、什么是物理化学物理化学物理化学 从研究化学现象和物理从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手，从而找出化学现象之间的相互联系入手，从而找出化学运动中最具有普通性的基本规律的一门学运动中最具有普通性的基本规律的一门学科。（又称理论化学

2、）科。（又称理论化学） 上一内容下一内容回主目录返回2 2、物理化学主要研究的问题、物理化学主要研究的问题 对于一个化学反应：对于一个化学反应： A+B = C+DA+B = C+D 1 1、在指定条件下这个化学反应向什么方向进行？在指定条件下这个化学反应向什么方向进行？ 2 2、假如能正向自发进行，进行到什么程度为止？假如能正向自发进行，进行到什么程度为止？ 3 3、外界条件（温度、压力、浓度等）的改变对反外界条件（温度、压力、浓度等）的改变对反应的方向和限度（即平衡位置）有什么影响？应的方向和限度（即平衡位置）有什么影响？ 4 4、如何控制条件使反应朝预计的方向进行？如何控制条件使反应朝预

3、计的方向进行？ 5 5、反应进行时能量是如何变化的，它究竟能给我反应进行时能量是如何变化的，它究竟能给我们提供多少能量？们提供多少能量？（1 1）化学热力学）化学热力学-化学反应的方向和限度问题化学反应的方向和限度问题上一内容下一内容回主目录返回（2 2）化学动力学）化学动力学-化学反应的速率和反应机理化学反应的速率和反应机理以及外界条件如温度、压力、催化剂等对反应速以及外界条件如温度、压力、催化剂等对反应速率的影响等问题率的影响等问题主要解决：主要解决： 1、化学反应的速率有多快？化学反应的速率有多快？ 2、反应速度快慢的内在原因反应速度快慢的内在原因-即反应机理是什么？即反应机理是什么？

4、3、外界条件外界条件(如温度如温度T、浓度、浓度C、催化剂、催化剂)对反应速率有何对反应速率有何 影响？影响？ 4、如何控制反应进行的速率？如何控制反应进行的速率？ 上一内容下一内容回主目录返回主要解决：主要解决： 1 1、结构和性能的关系结构和性能的关系 2 2、根据特殊性能的材料要求根据特殊性能的材料要求, ,要求如何根据结构要求如何根据结构 进行分子设计。（磁性材料、记忆材料等等）进行分子设计。（磁性材料、记忆材料等等） 3 3、通过物质结构了解化学热力学和化学动力学通过物质结构了解化学热力学和化学动力学的本质的本质。 （物质结构（物质结构一般另外开课）一般另外开课）（3）物质结构）物质

5、结构-研究物质的微观结构，以及研究物质的微观结构，以及物质的性质与其结构之间的关系问题物质的性质与其结构之间的关系问题上一内容下一内容回主目录返回物理化学课程的重要意义物理化学课程的重要意义与其它所有学科一样，物理化学是为了适应与其它所有学科一样，物理化学是为了适应社会生产的需要而发展起来的一门学科。社会生产的需要而发展起来的一门学科。物理化学的研究成果对化学工业起了重要作物理化学的研究成果对化学工业起了重要作用。用。上一内容下一内容回主目录返回3. 3. 学习物理化学课程的要求学习物理化学课程的要求1 1、要注意逻辑推理的思维方法、要注意逻辑推理的思维方法2 2、必须重视对基本概念的把握、必

6、须重视对基本概念的把握3 3、必须注意自己动手推导公式、必须注意自己动手推导公式4 4、重视多做习题，学会解题方法、重视多做习题，学会解题方法 5 5、课前预习，课后复习，课堂上认真听、课前预习，课后复习，课堂上认真听 讲，勤于思考，培养自学和独立工作能力讲，勤于思考，培养自学和独立工作能力上一内容下一内容回主目录返回1.1 1.1 热力学基本概念热力学基本概念上一内容下一内容回主目录返回第一章第一章 热力学第一定律热力学第一定律1.1.11.1.1、系、系 统统 和和 环环 境境系统：被划定的研究对象称为系统或体系。系统：被划定的研究对象称为系统或体系。上一内容下一内容回主目录返回 环境：与

7、体系密切相关的环境：与体系密切相关的, , 影响所能及影响所能及的部分称为环境。的部分称为环境。 （1 1）体系与环境并无本质上的差别，是根据）体系与环境并无本质上的差别，是根据研究需要而人为划分的，是以处理问题方便为准研究需要而人为划分的，是以处理问题方便为准则，因此并不是固定不变的，但一经确定，在研则，因此并不是固定不变的，但一经确定，在研究中就不允许随意变更体系与环境的范围。究中就不允许随意变更体系与环境的范围。 上一内容回主目录返回注意：注意：下一内容 （2 2）系统和环境之间，一定有一个边界，但这）系统和环境之间，一定有一个边界，但这个边界可以是实际界面，也可以是虚构的界面。个边界可

8、以是实际界面，也可以是虚构的界面。 （3 3）热力学系统的种类）热力学系统的种类 能量交换物质交换系统环境上一内容回主目录返回下一内容 根据有没有物质和能根据有没有物质和能量的交换，可把系统分成量的交换，可把系统分成以下三种以下三种 ： 1. 1.敞开体系：敞开体系：体系与环境之间既有物质体系与环境之间既有物质交换，又有能量交换。交换，又有能量交换。 上一内容回主目录返回下一内容 2.2.封闭体系：封闭体系：体系与环境之体系与环境之间只有能量交间只有能量交换，而无物质换，而无物质交换。交换。上一内容回主目录返回下一内容3.3.隔绝体系：隔绝体系： 体系与环境之间既无能量交换，体系与环境之间既无

9、能量交换，也无物质交换（孤立系统）。也无物质交换（孤立系统）。上一内容回主目录返回下一内容1.1.21.1.2、热力学平衡态、热力学平衡态 当系统的宏观性质（诸性质）不随时间而改当系统的宏观性质（诸性质）不随时间而改变，则系统就处于热力学平衡状态。真正的热力学变，则系统就处于热力学平衡状态。真正的热力学平衡应同时包括下列几个平衡平衡应同时包括下列几个平衡: :上一内容下一内容回主目录返回 (1)(1)热平衡热平衡：系统各个部分温度相等，系统各个部分温度相等，T=0T=0； (2)(2)机械平衡机械平衡：系统各部分之间，没有不平衡系统各部分之间，没有不平衡的力存在（即压力相同），的力存在（即压力

10、相同），P=0P=0； (3)(3)化学平衡化学平衡：体系的组成不随时间而改体系的组成不随时间而改变，即宏观上化学反应已停止；变，即宏观上化学反应已停止；上一内容回主目录返回下一内容 (4)(4)相平衡相平衡：当体系不止一相时，物质在当体系不止一相时，物质在各相之间的分布达到平衡，在相间没有物质的各相之间的分布达到平衡，在相间没有物质的净转移，达平衡后各相的组成和数量不随时间净转移，达平衡后各相的组成和数量不随时间的改变。即不同相虽然相互接触，但客观上没的改变。即不同相虽然相互接触，但客观上没有物质在相间传递。有物质在相间传递。 容量性质：又称广度性质容量性质：又称广度性质 其数值与系统中物质

11、的量成正比，其数值与系统中物质的量成正比，此种性质具有加和性。此种性质具有加和性。 例如例如 ：体积（：体积（V V）、质量（）、质量（m m）、内）、内能（能（U U）、熵（）、熵（S S）等等。）等等。1.1.31.1.3、容量性质和强度性质、容量性质和强度性质上一内容回主目录返回下一内容强度性质：强度性质： 其数值取决于物质本身的特性，与系统中物其数值取决于物质本身的特性，与系统中物质的量无关，不具加和性，而是整个系统的强度质的量无关，不具加和性，而是整个系统的强度性质的数值与各部分的强度性质的数值相同。性质的数值与各部分的强度性质的数值相同。 例如：例如：温度（温度（T T）、摩尔体积

12、（）、摩尔体积（VmVm）、密度）、密度( ()，粘度等，粘度等等。等。上一内容回主目录返回下一内容1.1.41.1.4、状态和状态性质、状态和状态性质 状态：状态： 系统里一切宏观性质的综合称为状态。系统里一切宏观性质的综合称为状态。上一内容下一内容回主目录返回状态性质：状态性质： 描述体系状态的宏观物理量称为热力学描述体系状态的宏观物理量称为热力学性质或状态性质，又称为状态函数。性质或状态性质，又称为状态函数。（如质量、温度、压力、体积、浓度、（如质量、温度、压力、体积、浓度、 密度、粘度等）密度、粘度等）状态函数的特点：状态函数的特点： (1).状态一定，数值一定。 也就是说系统的状态性

13、质只决定于它现在所处的状态，与其过去的历史无关。上一内容回主目录返回下一内容(2).(2).状态函数状态函数(Z)(Z)的变化量的变化量( (Z)Z)仅与始态、仅与始态、 终态有关，而与变化的途径无关。终态有关，而与变化的途径无关。状态函数：状态函数： U U内能内能 G G吉布斯自由能吉布斯自由能 H H焓焓 A A赫姆霍兹自由能赫姆霍兹自由能 S S熵熵U U、H H、S S、G G、A A终态数值终态数值- -始态数值始态数值 上一内容回主目录返回下一内容(3).(3).状态函数的微小变化，在数学上应当是一全微状态函数的微小变化，在数学上应当是一全微分。分。 其微量变化冠以其微量变化冠以

14、“d d”，如，如dPdP、dVdV等。等。（4 4）对于循环过程，状态函数的改变为零。）对于循环过程，状态函数的改变为零。 dZ=0dZ=0（5 5）状态函数的微分必然是全微分，且其二阶偏导）状态函数的微分必然是全微分，且其二阶偏导数与求导的先后次序无关。数与求导的先后次序无关。上一内容回主目录返回下一内容1.1.51.1.5、过、过 程程 和和 途途 径径 过程：过程： 系统状态所发生的任何变化均称为系统状态所发生的任何变化均称为 “过程过程”。在实际生产和实验中会遇到许多过程。如。在实际生产和实验中会遇到许多过程。如上一内容下一内容回主目录返回 等温过程：在一定温度下，系统的状态发生了变

15、化。等温过程：在一定温度下，系统的状态发生了变化。 T T初初 = T= T终终 = T= T环境环境 如：如：1mol He1mol He（p p 22.4L 273.15K22.4L 273.15K） （ 1/2p 44.8L 273.15K ） 等压等压过程过程：在一定压力下，系统的状态发生了变化。：在一定压力下，系统的状态发生了变化。 P初初 = P终终 = P环境环境 如：如：1mol He （p 22.4L 273.15K） （ p 44.8L 546.3K ）上一内容下一内容回主目录返回 等容等容过程过程：体系的容积不发生变化的过程。：体系的容积不发生变化的过程。 绝热过程：体系

16、与环境间不存在热传递过程。绝热过程：体系与环境间不存在热传递过程。 循环过程：从始态出发，经过一系列变化，又循环过程：从始态出发，经过一系列变化，又 回到起始状态。回到起始状态。途径：途径： 实现过程的具体路线叫途径。或者实现过程的具体路线叫途径。或者说系统状态发生变化时，由一始态到另说系统状态发生变化时，由一始态到另一终态，可以经由不同方式，这种由同一终态，可以经由不同方式，这种由同一始态到同一终态的不同方式可称为不一始态到同一终态的不同方式可称为不同的途径同的途径 上一内容回主目录返回下一内容如一定量的气体物质：298 K，101.3 kPa298K，506.5 kPa375 K，101.

17、3 kPa375 K，506.5 kPa途径途径2途径途径1恒压过程恒压过程恒压过程恒压过程实实际际过过程程恒温过程恒温过程恒温过程恒温过程1.2 1.2 热力学第一定律热力学第一定律 （能量守恒定律）（能量守恒定律）上一内容下一内容回主目录返回内能的概念内能的概念 内能内能U U：是指体系内部能量的总和。：是指体系内部能量的总和。它包括分子的平动能、转动能、振动能、它包括分子的平动能、转动能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间的相互作电子能、核能以及各种粒子之间的相互作用位能等。用位能等。 1.2.11.2.1、 内内 能能上一内容回主目录返回下一内容特点：特点： （1 1）内能是一个状态

18、函数。）内能是一个状态函数。那么根据状态函数的特点：那么根据状态函数的特点： a a、状态一定，数值一定。、状态一定，数值一定。 但内能的绝对值无法知道。但内能的绝对值无法知道。 b b、函数的变化量仅与始态、终态有关，而、函数的变化量仅与始态、终态有关，而与变化的途径无关。与变化的途径无关。 c c、内能的改变、内能的改变 U, U, 微小变化用微小变化用dUdU表示。表示。 上一内容下一内容回主目录返回（2 2）内能是容量性质）内能是容量性质. . 比如说如果一个系统由两部分组成，那比如说如果一个系统由两部分组成，那 么系统的总内能应是两部分内能之和。么系统的总内能应是两部分内能之和。上一

19、内容回主目录返回下一内容 （3 3）内能具有能量的量纲）内能具有能量的量纲 ，用，用J J 表示。表示。（4 4）内能的微分是一个全微分。）内能的微分是一个全微分。1.2.21.2.2、功和热的概念、功和热的概念 封闭体系的状态发生变化时，体系和封闭体系的状态发生变化时，体系和环境之间的能量交换可由环境之间的能量交换可由两种方式两种方式进行，进行，一种是热，另一种是功。一种是热，另一种是功。 热功系统环境上一内容下一内容回主目录返回热：热： （1 1）定义：由于系统与环境之间的温度）定义：由于系统与环境之间的温度差而造成的能量传递称为热。（差而造成的能量传递称为热。（T0,T0,针针对简单体系

20、），用对简单体系），用Q Q表示。单位：焦耳表示。单位：焦耳(J) (J) 上一内容回主目录返回下一内容 （2 2）规定：系统吸热为正：）规定：系统吸热为正：Q Q0 0系统放热为负：系统放热为负：Q Q0 0 （3 3）热的特点：）热的特点：上一内容回主目录返回下一内容 热不是状态函数。热不是状态函数。 热与过程有关，热只有在过程中才热与过程有关，热只有在过程中才有意义，一旦过程结束，就谈不上热的有意义，一旦过程结束，就谈不上热的存在，因此它不是状态函数。存在，因此它不是状态函数。如果系统在过程中放出的热很少，则用如果系统在过程中放出的热很少，则用QQ表示。表示。功：功： （1 1）定义：在

21、热力学中除热量以外的其它）定义：在热力学中除热量以外的其它各种能量传递的形式均称为功，用各种能量传递的形式均称为功，用W W表示，表示，功的种类很多：功的种类很多：电功、表面功、机械功、电功、表面功、机械功、体积功体积功. . 上一内容回主目录返回下一内容 （2 2）规定：系统对环境作功为负值：）规定：系统对环境作功为负值：W W0 0 环境对系统作功为正值：环境对系统作功为正值：W W0 0（3 3）功的特点：）功的特点：功不是状态函数，与过程有关。功不是状态函数，与过程有关。微小过程的功用微小过程的功用WW表示，而不用表示，而不用dWdW，以示不是状态函数。以示不是状态函数。上一内容回主目录返回下一内容1.2.31.2.3、热力学第一定律的数学表达式、热力学第一定律的数学表达式 12UQWU21UUQ W21UUU上一内容下一内容回主目录返回U = Q + W对微小变化： dU =Q +W 因为热力学能是状态函数，数学上具有全微分性质，微小变化可用dU表示；Q和W不是状态函数，微小变化用表示，以示区别。适用条件： 封闭系统