化学热力学基础PPT讲稿课件.ppt
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1、化学热力学基础课件NO 和和CO是汽车尾气中的有毒成分是汽车尾气中的有毒成分,它们它们能否相互反应生成无毒的能否相互反应生成无毒的N2和和CO2?(g) 2CO (g)N (g) 2CO (g) 2NO 22NO, CO)( C )( C金刚石石墨 库里南库里南1号号金刚石金刚石石墨石墨速率多大速率多大放热、吸热?放热、吸热?何时达到平衡何时达到平衡能否发生能否发生反应如何进行反应如何进行Chemical reactions 本章学习要求本章学习要求1. 掌握化学热力学基本概念,了解掌握化学热力学基本概念,了解 热力学能、焓、熵、自由能等热力学能、焓、熵、自由能等状状 态函数态函数的物理意义的
2、物理意义;2. 掌握热力学第一定律,第二定律掌握热力学第一定律,第二定律 的基本内容的基本内容;3. 掌握掌握化学反应热效应的各种计算化学反应热效应的各种计算 方法方法;4. 掌握化学反应掌握化学反应 rSm、 rGm 的的 计算和过程自发性计算和过程自发性的判断方法;的判断方法;5. 熟练掌握化学反应熟练掌握化学反应 rGm与温度的与温度的 关系式关系式 Gibbs-Helmholtz 方程方程, 及温度对反应自发性的影响。及温度对反应自发性的影响。热力学概论热力学概论 (1 1)热力学的研究对象)热力学的研究对象 研究化学反应中能量之间的相互转化及转研究化学反应中能量之间的相互转化及转 变
3、过程中所遵循的规律;变过程中所遵循的规律; 研究各物理变化和化学变化过程中所发生研究各物理变化和化学变化过程中所发生 的能量效应;的能量效应; 研究化学反应的方向性和反应进行的程度研究化学反应的方向性和反应进行的程度 热力学研究热力学研究宏观物质宏观物质在各种条件下的在各种条件下的平衡平衡行为行为,如:,如:能量平衡,化学平衡,相平衡等,能量平衡,化学平衡,相平衡等,以及各种条件变化对平衡的影响,以及各种条件变化对平衡的影响,从能量平衡从能量平衡角度对物质变化的规律和条件得出正确的结论角度对物质变化的规律和条件得出正确的结论, 具有普遍性和可靠性。具有普遍性和可靠性。(2)热力学研究的目的和内
4、容热力学研究的目的和内容 (3)热力学研究的基础)热力学研究的基础 热力学的一切结论主要建立在热力学的一切结论主要建立在热力学第一、热力学第一、第二和第三定律第二和第三定律的基础上。的基础上。 经验定律特征经验定律特征:1. 是人类的经验总结,其正确性由无数次实验是人类的经验总结,其正确性由无数次实验事实所证实;事实所证实;2. 它不能从逻辑上或其他理论方法来加以证明它不能从逻辑上或其他理论方法来加以证明(不同于定理)(不同于定理)。(1) 广泛性:广泛性:只需只需知道体系的起始状态、最知道体系的起始状态、最终状态、过程进行的外界条件终状态、过程进行的外界条件,就可进行相,就可进行相应计算;而
5、无需知道反应物质的结构、过程应计算;而无需知道反应物质的结构、过程进行的机理,所以能简易方便地得到广泛应进行的机理,所以能简易方便地得到广泛应用。用。 (4) 热力学研究方法的特点和局限性热力学研究方法的特点和局限性B. . 其研究对象是有足够其研究对象是有足够大量质点的宏观体系大量质点的宏观体系, 得到物质的宏观性质,因而对体系的微观得到物质的宏观性质,因而对体系的微观 性质,即个别或少数分子、原子的行为,性质,即个别或少数分子、原子的行为, 无法解答。无法解答。 (2) 局限性局限性:A. 由于热力学由于热力学无需知道过程的机理无需知道过程的机理,所以它,所以它 对过程自发性的判断只能是知
6、其然而不知对过程自发性的判断只能是知其然而不知 其所以然;其所以然;C. . 热力学所研究的变量中,没有热力学所研究的变量中,没有时间的概念,不涉及过程进行的时间的概念,不涉及过程进行的速度问题。这对实用的化学反应速度问题。这对实用的化学反应来讲显然是不够的,需用来讲显然是不够的,需用化学动化学动力学力学来解决。来解决。1 . 体系与环境体系与环境 体系体系 (system): 指我们研究的对象,它包含一定种类指我们研究的对象,它包含一定种类 和一定数量的物质和一定数量的物质; 环境环境 (surrounding) 体系之外与体系有关的部分称为环境体系之外与体系有关的部分称为环境. 2.1 基
7、本概念基本概念根据体系与环境之间的关系根据体系与环境之间的关系可将体系分为三类:可将体系分为三类: 物质交换物质交换 能量交换能量交换 敞开体系敞开体系 open system封闭体系封闭体系 closed system孤立体系孤立体系 isolated system同一研究对象可能用不同的方法划分为同一研究对象可能用不同的方法划分为不同的体系不同的体系以以水水为体系为体系: : 敞开体系敞开体系 以以烧杯烧杯为体系为体系: : 封闭体系封闭体系以以绝热箱绝热箱为体系为体系: : 孤立体系孤立体系 体系与环境的划分,是为了研体系与环境的划分,是为了研 究方便而人为确定的。究方便而人为确定的。
8、体系与环境之间可能存在着界体系与环境之间可能存在着界 面,也可能没有实际的界面,但面,也可能没有实际的界面,但 可以想象有一个界面将体系与环可以想象有一个界面将体系与环 境分隔开。境分隔开。2. 状态与状态函数状态与状态函数 state & state function 3. 广度性质与强度性质广度性质与强度性质 extensive & intensive properties 定温过程:定温过程:(始始) = T(终终) = T(环环) = 常数;常数; 绝热过程:绝热过程:过程中过程中体系体系与环境之间无热交换与环境之间无热交换 Q = 0。 定容过程:定容过程:过程中体系的体积始终保持不
9、变;过程中体系的体积始终保持不变; 定压过程:定压过程: P(始始) = P(终终) = P(环环) = 常数;常数; 可逆过程可逆过程:系统经历某过程后,能够通过:系统经历某过程后,能够通过原过原过程的反向变化程的反向变化而使系统和环境都回到原来的状而使系统和环境都回到原来的状态态(在环境中没有留下任何变化在环境中没有留下任何变化),为可逆过程。,为可逆过程。 循环过程循环过程:体系经历一系列变化后又回到始态的:体系经历一系列变化后又回到始态的 过程,循环过程前后过程,循环过程前后状态函数变化量均为零状态函数变化量均为零 。途径途径: 某一过程中体系所经历的某一过程中体系所经历的具体变化步骤
10、;具体变化步骤;过程着重于状态的变化,而途径着重于变化的方式过程着重于状态的变化,而途径着重于变化的方式;过程可经由许多不同的途径来完成过程可经由许多不同的途径来完成 ; 某一过程中某一过程中状态函数的变化值状态函数的变化值只取决于始态只取决于始态 和终态,和终态, 而而与所经历的途径无关。与所经历的途径无关。T2T1T2T1Q功功, W :除热以外,体系与环境之间以其它形除热以外,体系与环境之间以其它形式传递的能量式传递的能量 体积功体积功 Wv(volume work) 无用功无用功或或膨胀功膨胀功非体积功非体积功 W (nonvolume work) 非膨胀功非膨胀功或或有用功有用功功功
11、定压下,体积功定压下,体积功 Wv = - pVW的符号的符号: 环境对体系作功取正值环境对体系作功取正值,反之,反之取负值。取负值。 “ + ” “ ” Q 体系吸热体系吸热 体系放热体系放热 W 环境对体系作功环境对体系作功 体系对环境作功体系对环境作功 热和功热和功都不是状态函数都不是状态函数, 其数值与变化途径有关其数值与变化途径有关 热和功的符号:热和功的符号: 6. 热力学能热力学能 (thermodynamic energy) 热力学能,热力学能,U:也称为:也称为内能内能 ,是体系内部,是体系内部 各种形式能量的总和。各种形式能量的总和。U是体系本身的一种性质,是是体系本身的一
12、种性质,是状态函数;状态函数;U的的绝对值无法测定绝对值无法测定,但可求变化值,但可求变化值 U 。(1) 一切物体都具有能量,能量有各种不同一切物体都具有能量,能量有各种不同 形式,它能从一形式,它能从一 种形式转化为另一种形式,种形式转化为另一种形式,在转化中能量的总和保持不变。在转化中能量的总和保持不变。 能量守恒定律能量守恒定律应用于热力学就是热力学第一应用于热力学就是热力学第一定律,它有多种表述定律,它有多种表述: (4) “第一类永动机是不可能制成的第一类永动机是不可能制成的” “体系和环境的总能量不变体系和环境的总能量不变” (2) 隔离体系中能的形式可以相互转化,但不隔离体系中
13、能的形式可以相互转化,但不会凭空产生,也不会自行消灭。会凭空产生,也不会自行消灭。(3) 隔离体系无论经历何种变化,其能量守恒。隔离体系无论经历何种变化,其能量守恒。说明说明: : 第一定律数学表达式的第一定律数学表达式的适用条件:封闭体系适用条件:封闭体系 Q是热的总和,是热的总和,W是各种功的总和。是各种功的总和。 (5) 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 U = Q + W例例 1. 在在351K、101kPa下,下,460 g乙醇蒸气乙醇蒸气凝结为同温度的液体。已知乙醇的气化热凝结为同温度的液体。已知乙醇的气化热为为43.5 kJ.mol-1,计算此过程的,计算此过
14、程的 Q 、W 、 U。OH(l)HCOH(g)HC5252解解: 练习题练习题B判断题判断题1. 功和热都是能量的传递形式,所以都是体系的状态;功和热都是能量的传递形式,所以都是体系的状态;2. 体系和环境既是客观存在,又是人为划分;体系和环境既是客观存在,又是人为划分;3. 系统的状态改变时,至少有一状态函数改变;系统的状态改变时,至少有一状态函数改变;4. 系统的状态改变时,所有的状态函数都改变;系统的状态改变时,所有的状态函数都改变;5. 系统的状态函数之一发生改变时,系统的状态不一定改变;系统的状态函数之一发生改变时,系统的状态不一定改变;6. 在同一体系中,同一状态可能有多个内能值
15、;在同一体系中,同一状态可能有多个内能值;7. 热和功的区别在于热是一种传递中的能量,而功不是函数;热和功的区别在于热是一种传递中的能量,而功不是函数;NH4SCN与与Ba(OH)2 8H2O的反应的反应强烈吸热,强烈吸热, 导致反应烧杯外壁能导致反应烧杯外壁能将空气中的水蒸气凝结成冰将空气中的水蒸气凝结成冰。铝热剂铝热剂(thermite)可引发强烈可引发强烈的放热反应的放热反应 (Al + Fe2O3),使,使生成的金属铁融化,生成的金属铁融化, 并产生并产生“铁花铁花”。1. 反应进度反应进度 () advancement of reaction HGDAhgdaBBBR0即即:( A=
16、 -a, D= -d, G= g, H= h) B 化学计量数,反应物为化学计量数,反应物为“”,生成物为,生成物为“+”2. 2 热化学热化学 Thermochemistry 移项后移项后:HGDA0hgda)mol()0()(BBBBBnntnHHGGDDAAnnnn反应进度反应进度 ():衡量化学反应进行程度的物理量。:衡量化学反应进行程度的物理量。 化学反应化学反应: 反应进度反应进度 = 1mol 的物理意义的物理意义是是a mol的的A与与 d mol的的D 完全反应,全部转化为完全反应,全部转化为g mol的的G和和 h mol的的H。 HGDAhgda N2 + 3H2 = 2
17、NH3 = 1 mol:表示表示 1 mol N2与与 3 mol H2完全完全反应,生成反应,生成 2 mol 的的NH3 = 1 mol:表示表示 1/2mol N2与与 3/2mol H2完全完全反应,生成反应,生成 1 mol 的的NH3322NHH23N21 反应进度反应进度被应用于被应用于反应热的计算、化学反应热的计算、化学 平衡和反应速率的定义平衡和反应速率的定义等方面。等方面。 与与 B有关,与方程式的书写有关;有关,与方程式的书写有关; 与反应方程式中物质的选择无关;与反应方程式中物质的选择无关;说明说明: : 的量纲是的量纲是 mol;2. 化学反应热化学反应热 化学反应化
18、学反应产物的温度产物的温度与与反应物的温度相同反应物的温度相同, 且反应体系且反应体系只做体积功不做其它功只做体积功不做其它功时,体时,体 系吸收或放出的热量称为化学反应的系吸收或放出的热量称为化学反应的热效热效 应应 ( (反应热反应热) )。 反应热一般反应热一般指指反应进度反应进度 = 1 mol时的热时的热。弹式量热计弹式量热计 定压热定压热 Qp (反应在敞口容器内进行反应在敞口容器内进行)3. 焓焓 enthalpy 带带都不是状态函数都不是状态函数说明说明: : =U+n(g)RT= QV+n(g) RTb. 对有气体参与的等温反应,只考虑对有气体参与的等温反应,只考虑 气相体积
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