物理化学-热力学课件1.ppt
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- 物理化学 热力学 课件
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1、掌握:掌握:内能、焓、熵和自由能等状态函数的物理意内能、焓、熵和自由能等状态函数的物理意义和有关计算;热效应问题的有关计算;深刻理义和有关计算;热效应问题的有关计算;深刻理解自由能与化学反应方向的关系,掌握用自由能解自由能与化学反应方向的关系,掌握用自由能变化来判断化学反应的方向;变化来判断化学反应的方向;有关平衡常数的计有关平衡常数的计算。算。了解:热力学第一、第二、第三定律的基本内容;了解:热力学第一、第二、第三定律的基本内容;3.1 热力学第一定律热力学第一定律 3.1.1 基本概念基本概念 a.体系与环境体系与环境 (体系(体系 +环境环境 =宇宙)宇宙)*敞开体系敞开体系 既有能量交
2、换又有物质交换既有能量交换又有物质交换 *封闭体系封闭体系 只有能量交换没有物质交换只有能量交换没有物质交换 *孤立体系孤立体系 既无能量交换又无物质交换既无能量交换又无物质交换 (为方便研究而假想的体系)(为方便研究而假想的体系)b.状态与状态函数状态与状态函数 状态状态 体系所有物理性质和化学性质的综合表现。体系所有物理性质和化学性质的综合表现。1 mol H2 1 mol H2 0 C,1atm 0 C,0.5 atm 22.4 dm3 44.8 dm3 状态状态 1 状态状态 2状态函数状态函数 描述体系宏观状态的物理量(也称体描述体系宏观状态的物理量(也称体系的性质)。系的性质)。特
3、点:特点:只与始态和终态有关,与途径无关。只与始态和终态有关,与途径无关。H2O(s,25C,1atm)H2O(g,25C,1atm)H2O(l,25C,1atm)广延性质广延性质 与体系中物质的量成正比,相同条件下与体系中物质的量成正比,相同条件下 有加和性。有加和性。如如 V、Cp、U、H、S、G 等。等。强度性质强度性质 体系中各处的性质是均匀的,与物质的量体系中各处的性质是均匀的,与物质的量 无关。无关。如如 P、T、C浓度浓度 等。等。c.过程和途径过程和途径 过程过程 体系的状态随时间发生的一系列变化。体系的状态随时间发生的一系列变化。*化学过程化学过程 按变化的性质分按变化的性质
4、分 *物理过程物理过程 按变化的条件分:按变化的条件分:等温(等温(T=0)等容(等容(V=0)等压(等压(P=0)循环循环.绝热过程(绝热过程(q=0)途径途径 体系变化过程中具体经历的状态。体系变化过程中具体经历的状态。P1T1V1 P2T2V2 恒温恒温 恒压恒压 P2T1V H2O (l,25C,1atm)H2O(g,25C,1atm)H2O(l,100C,1atm)H2O(g,100C,1atm)d.d.内能内能体系中各种形式能量的总和体系中各种形式能量的总和 (如:化学键、(如:化学键、van der Waals 力、力、分子的平动分子的平动能、转动能、振动能能、转动能、振动能)e
5、.e.热和功热和功体系和环境间能量传递交换的两种形式体系和环境间能量传递交换的两种形式 热热 体系与环境之间因温差而传递的能量。体系与环境之间因温差而传递的能量。显热显热 体系和环境间交换热量时,体系仅仅发生温体系和环境间交换热量时,体系仅仅发生温 度的变化。度的变化。摩尔热容(摩尔热容(C)1 mol 物质每升高一度所需的热量。物质每升高一度所需的热量。CV 恒容热容恒容热容 Cp 恒压热容恒压热容 单原子分子的理想气体单原子分子的理想气体:CV=3/2 R Cp=5/2 R双原子分子的理想气体双原子分子的理想气体:CV=5/2 R Cp=7/2 RCp=R+CV n mol 物质从物质从
6、T1 变到变到 T2的热量变化为:的热量变化为:恒压条件下:恒压条件下:qp =nCp T 恒容条件下:恒容条件下:qV=nCV T潜热潜热 体系仅仅发生相的变化或化学变化,而体系仅仅发生相的变化或化学变化,而无温度无温度 的变化。的变化。1 mol沸点温度的液体沸点温度的液体 1 mol沸点温度的气体沸点温度的气体 1 mol熔点温度的液体熔点温度的液体 1 mol熔点温度的固体熔点温度的固体 T T K K 的反应物的反应物 T T K K 的生成物的生成物 功功 除热之外,体系与环境之间传递的其它除热之外,体系与环境之间传递的其它形式的能量。如:机械功、电功、表面功、形式的能量。如:机械
7、功、电功、表面功、膨胀功、压缩功膨胀功、压缩功 膨胀功和压缩功膨胀功和压缩功 又称又称压强压强-体积功体积功 其它功称为有用功其它功称为有用功 功功 和和 热热 都都 不不 是是 状状 态态 函函 数!数!3.1.2 热力学第一定律热力学第一定律 U =q+w 能量守恒定律能量守恒定律 q q:体系从环境吸热()体系从环境吸热()w:w:体系对环境作功()体系对环境作功()体系向环境放热()体系向环境放热()环境对体系作功()环境对体系作功()例如:例如:一个体系从环境吸热一个体系从环境吸热 3000 kJ,体系对环境作功,体系对环境作功 2500 kJ,体系内能变化值,体系内能变化值 U 为
8、多少?为多少?解:解:U 3000 kJ 2500 kJ 500 kJ U 体系内能增加体系内能增加 U 体系内能减少体系内能减少 3.1.3 可逆过程和最大功可逆过程和最大功 a、体积功计算体积功计算 初始高度:初始高度:L1 膨胀后高度:膨胀后高度:L2 活塞移动距离:活塞移动距离:L W=-F L (力力 距离)距离)F/A=P外外 F=P外外 A W=-P外外 A L W=-P外外 V 底面积底面积 =A 例题:例题:圆桶内圆桶内 n mol 气体的压强为气体的压强为 P体体=1.0 atm,V=22.4 dm3,T=273.15 K。计算相同温度下,气体计算相同温度下,气体反抗反抗
9、0.5 atm 恒定外压的膨胀过程中,体系对环境做的恒定外压的膨胀过程中,体系对环境做的体积功?体积功?解:解:W=-P外外 V P外外=0.5 atm V=22.4 dm3 W=-0.5 atm 22.4 dm3=-11.2 atm dm3 =-11.2 atm dm3 101.3 =-1132.9 J (1 kPa dm3=1 J ,1 atm dm3=101.3 J )例题:例题:1 mol 液体水在液体水在 1 atm、100 C时蒸发成时蒸发成 1 mol 水蒸汽。计算此过程中体系对环境作的膨胀功?水蒸汽。计算此过程中体系对环境作的膨胀功?解:解:W=-P外外 V P外外=1 atm
10、 V=V气气 -V液液 V V气气 V气气 =RT/P=0.082 x 373.15/1 =30.6 dm3 W=-P外外 V气气 =-1 atm 30.6 dm3 101.3 =-3100 J b、可逆过程和最大功可逆过程和最大功 n mol 气体气体 n mol 气体气体 P体体1=6 atm P体体2=1 atm V1 =2 dm3 T=0 V2 =12 dm3 第一条途径:第一条途径:一次膨胀一次膨胀 P外外=1 atm W1=-P外外 V=-1 atm (12-2)dm3 101.3=-1013 J 第二条途径第二条途径:二次膨胀二次膨胀 P外外1=3 atm,P外外2=1 atm
11、W2=-3 x(4-2)+1 x(12-4)x 101.3=-1418.2 J 第三条途径:第三条途径:三次膨胀三次膨胀 P外外1=4 atm,P外外2=2 atm,P外外3=1 atm W3=-4 x(3-2)+2 x(6-3)+1 x(12-6)x 101.3=-1620.8 J 如果按无限多次膨胀如果按无限多次膨胀:P外外=P体体 dp 体积变化体积变化 dv 作功作功 dw=-P外外 dv dw=-(P体体 dp)dv 无限多次的累加:无限多次的累加:dw 积分:积分:dw=-(P体体 dp)dv w=-(P体体 dp)dv 数学上可以证明:数学上可以证明:(P体体 dp)P体体 w=
12、-P体体 dv 理想气体:理想气体:P体体=nRT/V w=-(nRT/V)dV=-nRT v2v1 dV/Vw=-nRT ln(V2/V1)=-6 x 2ln(12/2)x101.3=-2178 J 此过程作的功最大此过程作的功最大 等温可逆膨胀过程等温可逆膨胀过程 等温可逆压缩过程等温可逆压缩过程 无限多步压缩:无限多步压缩:P外外=P体体+dp 体积变化体积变化 dv 作功作功 dw=-P外外 dv dw=-(P体体+dp)dv 无限多次的累加:无限多次的累加:dw=-(P体体+dp)dv w=-(P体体+dp)dv 数学上可以证明:数学上可以证明:(P体体+dp)P体体 w=-P体体
13、dv 理想气体:理想气体:P体体=nRT/V w=-(nRT/V)dV=-nRT v2v1 dV/Vw=-nRTln(V2/V1)=-6 x 2ln(2/12)x101.3=2178 J 如果按照这样无限多步的膨胀和压缩,体系回到了如果按照这样无限多步的膨胀和压缩,体系回到了 原来的状态。原来的状态。经过经过 A B A 的循环过程:的循环过程:W=W膨膨 +W压压=-2178 +2178 =0 因为因为 T=0 U=0 (温度不变,理想气体的动能不变)温度不变,理想气体的动能不变)U=q+W q=0把一个体系能通过原途往返而环境无功损失的过程称为把一个体系能通过原途往返而环境无功损失的过程称
14、为 可逆过程可逆过程 。可逆过程是一个理想过程,任何实际过程都不可逆过程是一个理想过程,任何实际过程都不是可逆过程,只能无限接近与可逆过程。是可逆过程,只能无限接近与可逆过程。结论结论 恒温可逆膨胀过程作的功最大,恒温可逆膨胀恒温可逆膨胀过程作的功最大,恒温可逆膨胀过程吸的热也最多过程吸的热也最多。(T=0,U=0,w=q)如果按其它途径返回:如果按其它途径返回:第一条途径:第一条途径:P外外=6 atm W1=-6 atm x(2-12)dm3 x 101.3=6078 J第二条途径:第二条途径:P外外1=3 atm,P外外2=6 atm W2=-3 x(4-12)+6(2-4)x 101.
15、3 =3648.8 J第三条途径:第三条途径:P外外1=2 atm,P外外2=4 atm,P外外3=6 atm W3=-2x(6-12)+4(3-6)+6(2-3)x 101.3 =3039 J 一次膨胀一次膨胀 P外外=1 atm W膨膨=-P外外 x V=1 atm x(12-2)dm3 x 101.3=-1013 J一次压缩一次压缩 P外外=6 atm W压压=-6 atm x(2-12)dm3 x 101.3=-6078 J W循循=W膨膨+W压压=-1013 +6078)=5065 J3.1.4 理想气体可逆过程理想气体可逆过程w、q、U间的关系间的关系a、等容过程、等容过程 V=0
16、,w=0,qV=nCV T=Ub、等压过程、等压过程 p=0,w=p V=nR T,qp=nCp T,U=nR T+nCp T=nCV T c、等温过程、等温过程 T=0,w=nRT ln(V2/V1)q=w=nRT ln(V2/V1),U=0c、绝热过程、绝热过程 q=0,环境对体系所作的功环境对体系所作的功w=U,w=U=n CV T 3.2 热化学热化学 3.2.1 焓和焓变焓和焓变 大部分化学过程和物理过程都在恒压条件下进行,大部分化学过程和物理过程都在恒压条件下进行,因此:因此:U=qp P外外 V P1 =P2 =P外外 U=U2 U1 V=V2 V1 U2 U1=qp P外外(V
17、2 V1)U2 U1=qp (P2V2 P1V1)(U2+P2V2)(U1+P1V1)=qp 热力学定义:热力学定义:U +PV =H 焓焓 焓是重要的热力学状态函数焓是重要的热力学状态函数 (U2+P2V2)(U1+P1V1)=qp H2 H1 =H 焓变焓变 H =qp (恒压、体系不做非体积功)恒压、体系不做非体积功)恒压条件下:恒压条件下:H =qp=nCp T注意概念:注意概念:任何一个热力学过程的焓变为:任何一个热力学过程的焓变为:H =U +(PV)H =U +P V +V P3.2.2 理想气体可逆过程的焓变理想气体可逆过程的焓变理想气体的理想气体的(PV)=(nRT)对于一个
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