物理化学1-3节课件.pptx
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1、 热力学在发展初期,只是研究热和机械热力学在发展初期,只是研究热和机械功之间相互转换的关系,这问题是随着功之间相互转换的关系,这问题是随着蒸汽机的发明和使用而被提出的。至于蒸汽机的发明和使用而被提出的。至于其它形式的能量,最初不在热力学的研其它形式的能量,最初不在热力学的研究范围以内。究范围以内。但随着电能、化学能、辐射能及其它形但随着电能、化学能、辐射能及其它形式的能量的发现和研究,它们亦逐渐地式的能量的发现和研究,它们亦逐渐地纳入了热力学的研究范围。纳入了热力学的研究范围。主要是建立在主要是建立在两个两个经验定律的上的。经验定律的上的。热力学第一定律和热力学第二定律热力学第一定律和热力学第
2、二定律:1.这两个定律是人们经验的总结,它不能从这两个定律是人们经验的总结,它不能从逻辑上或用其它理论方法来加以证明,但逻辑上或用其它理论方法来加以证明,但它的正确性已由无数次的实验事实所证实它的正确性已由无数次的实验事实所证实.热力学基本原理在化学过程及与化学有关热力学基本原理在化学过程及与化学有关的物理过程中的应用构成的物理过程中的应用构成“”(Chemistry Thermodynamics)这一门学科。这一门学科。化学热力学主要研究和解决的问题:化学热力学主要研究和解决的问题:1.1.研究化学过程及与化学过程密切相关研究化学过程及与化学过程密切相关的物理过程中的能量效应;的物理过程中的
3、能量效应;2.2.判断某一热力学过程在一定条件下是判断某一热力学过程在一定条件下是否可能进行,确定被研究物质的稳定性,否可能进行,确定被研究物质的稳定性,确定从某一化学过程所能取得的产物的确定从某一化学过程所能取得的产物的最大产量等等。最大产量等等。这些问题的解决,无疑将对生产和科这些问题的解决,无疑将对生产和科学发展起着巨大的作用。学发展起着巨大的作用。二、热力学的方法和局限性二、热力学的方法和局限性 1.1.热力学的研究对象是具有足够大量质热力学的研究对象是具有足够大量质点的体系,热力学只研究物质的宏观性点的体系,热力学只研究物质的宏观性质,对于物质的微观性质即个别或少数质,对于物质的微观
4、性质即个别或少数分子、原子的行为,无从作出解答。分子、原子的行为,无从作出解答。2.2.热力学只需知道体系的起始状态和最热力学只需知道体系的起始状态和最终状态以及过程进行的外界条件,就可终状态以及过程进行的外界条件,就可进行相应的计算,它不依赖于结构的知进行相应的计算,它不依赖于结构的知识,亦无需知道过程进行的机理,这是识,亦无需知道过程进行的机理,这是热力学所以能简易而方便地得到广泛应热力学所以能简易而方便地得到广泛应用的重要原因。用的重要原因。但亦正是由于这个原因,热力学对过程之但亦正是由于这个原因,热力学对过程之能否自发进行的判断,就只是知其然而不能否自发进行的判断,就只是知其然而不知其
5、所以然,只能停留在对客观事物的表知其所以然,只能停留在对客观事物的表面了解而不知其内在原因。面了解而不知其内在原因。第三,在热力学所研究的变量中,没有时第三,在热力学所研究的变量中,没有时间的概念,所以它不涉及过程进行的速率间的概念,所以它不涉及过程进行的速率问题。它只能说明过程能不能自发进行,问题。它只能说明过程能不能自发进行,以及进行到什么程度为止,至于过程在什以及进行到什么程度为止,至于过程在什么时候发生,以怎样的速率进行,热力学么时候发生,以怎样的速率进行,热力学无法预测。这些特点既是热力学方法的优无法预测。这些特点既是热力学方法的优点,也是它的局限性。点,也是它的局限性。第二节热力学
6、基本概念第二节热力学基本概念(1)体系和环境体系和环境 体系体系(System)将一将一部分物体从其它部分部分物体从其它部分中划分出来,作为研中划分出来,作为研究的对象,这一部分究的对象,这一部分物体,称为物体,称为“体系体系”。环境环境(Surroundings)体系以外并与体系有体系以外并与体系有相互作用的部分。相互作用的部分。一、体系和环境一、体系和环境体系和环境之间,一定有一个边界,这边体系和环境之间,一定有一个边界,这边界可以是实在的物理界面,亦可以是虚构的界可以是实在的物理界面,亦可以是虚构的界面。界面。根据体系和环境之间交换物质和能量的不根据体系和环境之间交换物质和能量的不同情况
7、,同情况,敞开体系敞开体系(Open System)、密闭体系、密闭体系(Closed System)和孤立体系和孤立体系(Isolated System)1.敞开体系敞开体系(Open System)。这种体系与环境之间既可以有物质的交这种体系与环境之间既可以有物质的交换换,亦可以有能量的交换。亦可以有能量的交换。2.密闭体系密闭体系(Closed System)。这种体系与环境之间不可能有物质的交换,这种体系与环境之间不可能有物质的交换,只可以有能量的交换。只可以有能量的交换。3.隔绝体系,或孤立体系隔绝体系,或孤立体系(Isolated System)。这种体系与环境之间既不可能有物质的
8、交换,这种体系与环境之间既不可能有物质的交换,亦不可能有能量的交换。亦不可能有能量的交换。For Example 体系体系:水水(l),敞开体系敞开体系 体系体系:水水(l)+(l)+水水(g),(g),密闭体系密闭体系 体系体系:水水(l)+(l)+水水(g)+(g)+热热源源+罩子中的一切罩子中的一切,隔绝体系隔绝体系gl体系的性质是体系的性质是 描述体系状态的物描述体系状态的物理量称为状态性质,又称为状态函数理量称为状态性质,又称为状态函数(State Function)或热力学变量。这些性或热力学变量。这些性质都是宏观物理量,如质量质都是宏观物理量,如质量(m)、温度、温度(T)、压力
9、、压力(p)、体积、体积(V)、浓度、浓度(c)、密度、密度()、粘度、粘度()、折光率、折光率(n)等等。等等。状态性质可以分为两类状态性质可以分为两类二、体系的性质二、体系的性质 容量性质容量性质(Capacity properties)。这种性质的。这种性质的数值与体系中物质的量成正比;这种性质在体数值与体系中物质的量成正比;这种性质在体系中有加和性,即整个体系的容量性质的数值,系中有加和性,即整个体系的容量性质的数值,是体系中各部分该性质数值的总和。例如一个是体系中各部分该性质数值的总和。例如一个瓶中气体的体积是瓶中各个部分气体体积的总瓶中气体的体积是瓶中各个部分气体体积的总和,所以体
10、积是体系的容量性质。其它尚有质和,所以体积是体系的容量性质。其它尚有质量、热容量等等亦是容量性质。量、热容量等等亦是容量性质。强度性质强度性质(Intensive Properties)。这种性质的数值与体系中物质的量无关;在体这种性质的数值与体系中物质的量无关;在体系中没有加和性,而是整个体系的强度性质系中没有加和性,而是整个体系的强度性质的数值与各个部分的强度性质的数值相同。的数值与各个部分的强度性质的数值相同。例如一个瓶中的例如一个瓶中的 p总总=p分分,p总总p分分所以压力是体系的强度性质。所以压力是体系的强度性质。其它强度性质尚有其它强度性质尚有T,、等。等。两个容量性质之比成为体系
11、的强度性质,例如两个容量性质之比成为体系的强度性质,例如 =M/V,Vm=V/n,Cp,m=Cp/n。热力学平衡热力学平衡(thermodynamics equilibrium)如果体系与环境之间没有任何物质如果体系与环境之间没有任何物质和能量交换,体系中各个状态性质又均和能量交换,体系中各个状态性质又均不随时间而变化,则称体系处于热力学不随时间而变化,则称体系处于热力学平衡态。热力学平衡态应当同时包括四平衡态。热力学平衡态应当同时包括四个平衡:个平衡:1.热平衡热平衡(thermal equilibrium)。在体系。在体系中没有绝热壁存在的情况下,体系各个中没有绝热壁存在的情况下,体系各个
12、部分之间没有温度差部分之间没有温度差 T=0;三、三、热力学平衡态热力学平衡态2.机械平衡机械平衡(mechanical equilibrium)。在体。在体系中没有刚壁存在的情况下,体系各部分之系中没有刚壁存在的情况下,体系各部分之间没有不平衡的力存在,即压力相同间没有不平衡的力存在,即压力相同,p=0;3.化学平衡化学平衡(chemical equilibrium)。在体系。在体系中没有化学变化的阻力因素存在时,体系的中没有化学变化的阻力因素存在时,体系的组成不随时间而变化;组成不随时间而变化;4.相平衡相平衡(phase equilibrium)。在体系中各。在体系中各个相个相(包括气,
13、液,固包括气,液,固)的数量和组成不随时间的数量和组成不随时间而变化。而变化。以后讨论的以后讨论的如不特别指明就是指体系处如不特别指明就是指体系处于热力学平衡态。于热力学平衡态。状态状态(State)某一热力学体系的某一热力学体系的是体系的物理性是体系的物理性质和化学性质的综合表现。如果要描述一个体系质和化学性质的综合表现。如果要描述一个体系处于某一状态时,只能用体系的状态性质来描述。处于某一状态时,只能用体系的状态性质来描述。例如:理想气体用例如:理想气体用p,V,T和和n来描述。溶液用来描述。溶液用p,c,T和和n来描述来描述定态定态 当所有的状态性质都不随时间而发生变化时,当所有的状态性
14、质都不随时间而发生变化时,则称体系处于一定的状态。这些状态性质中只要则称体系处于一定的状态。这些状态性质中只要有任意一个发生了变化,就说体系的热力学状态有任意一个发生了变化,就说体系的热力学状态发生了变化。发生了变化。四、四、状态函数与状态方程状态函数与状态方程体系变化前的状态称为始态,体系变化后的状态称体系变化前的状态称为始态,体系变化后的状态称为终态,例如下列理想气体的变化。为终态,例如下列理想气体的变化。始态:始态:n=1p1=200kPaT1=298K终态:终态:n=1p2=100kPaT2=298K注意注意:状态性质不是相互独立的状态性质不是相互独立的 体系的状态性质之间是互相有关联
15、的。如果体体系的状态性质之间是互相有关联的。如果体系的某一状态性质发生了变化,那么至少将会系的某一状态性质发生了变化,那么至少将会引起另外一个状态性质,甚至好多个状态性质引起另外一个状态性质,甚至好多个状态性质也发生变化。很多时候能用状态方程把它们联也发生变化。很多时候能用状态方程把它们联系起来。例如理想气体的系起来。例如理想气体的p,V,Tp,V,T间有间有pV=nRTpV=nRT的的关系。关系。要确定一个体系的热力学状态,并不需要知道要确定一个体系的热力学状态,并不需要知道所有的状态性质,而只需要确定几个状态性质,所有的状态性质,而只需要确定几个状态性质,就可确定体系的状态,因为确定了几个
16、状态性就可确定体系的状态,因为确定了几个状态性质,其它的状态性质亦就随之而定了。质,其它的状态性质亦就随之而定了。V=f(T,p,n)经验表明,对于纯物质单相体系来说,经验表明,对于纯物质单相体系来说,要确定它的状态,需要有三个变数或者要确定它的状态,需要有三个变数或者说三个状态性质,一般采用温度、压力说三个状态性质,一般采用温度、压力和物质的量和物质的量(T T,p p,n)n);当物质的量固定;当物质的量固定即为密闭体系时,只需要两个状态性质即为密闭体系时,只需要两个状态性质如温度和压力就能确定它的状态。如温度和压力就能确定它的状态。对于多种物质组成的体系,要用对于多种物质组成的体系,要用
17、T T,p p,n n1 1,n n2 2,n ns s(假定体系有假定体系有s s种物质种物质)来描述来描述它的状态。它的状态。(一)状态函数状态函数由体系的性质决定的状态性质称为状态函数由体系的性质决定的状态性质称为状态函数(state function)。如温度。如温度(T)、压力、压力(p)、体积、体积(V)、浓度、浓度(c)、密度密度()等。等。体系的状态函数有如下特征:体系的状态函数有如下特征:1.状态函数是体系状态的单值函数即状态函数是体系状态的单值函数即。状态函数只说明体系当时所处的状态,而不能说状态函数只说明体系当时所处的状态,而不能说明体系以前和以后的状态。如:明体系以前和
18、以后的状态。如:标准压力标准压力(p=101.325 kPa),50下的水下的水 100 50 02.体系由某一状态变化到另一状态时,体系由某一状态变化到另一状态时,3.状态函数在数学上是全微分。如理想气体的状态函数在数学上是全微分。如理想气体的体积是温度和压力的函数。体积是温度和压力的函数。热力学能可认为是温度和体积的函数。热力学能可认为是温度和体积的函数。dppVdTTVdVpTfVTp)()(),(dVVUdTTUdUVTfUTV)()(),(状态回到原状时,状态函数不变,所以:状态回到原状时,状态函数不变,所以:4.状态函数的集合也是状态函数。状态函数的集合也是状态函数。H=U+pV
19、G=H+TS-pV 注意:状态函数的差不是状态函数。注意:状态函数的差不是状态函数。如如 U;H;G等不是状态函数。等不是状态函数。(二)状态方程状态方程体系状态函数之间的定量关系称为状态方程。体系状态函数之间的定量关系称为状态方程。Ideal gas:pV=nRT 0 0dUdV和Vander waals方程:方程:R=0.08206 atmdm3k-1mol-1(pp6:atmJk-1mol-1)=8.314 Jk-1mol-1 =1.987 calk-1mol-1维利方程:维利方程:pVm=RT(1+B/Vm+C/Vm2+D/Vm3+)=RT(1+Bp+Cp2+Dp3+)多组分体系应含浓
20、度项。多组分体系应含浓度项。RTbVVapm)(2五、五、过程和途径过程和途径 过程过程 体系状态所发生的一切变化均称为体系状态所发生的一切变化均称为“过程过程”。如果体系的状态是在温度一定的。如果体系的状态是在温度一定的条件下发生了变化,则此变化称为条件下发生了变化,则此变化称为“定温过定温过程程”;同理在压力一定的条件下,体系的状;同理在压力一定的条件下,体系的状态发生了变化,则此变化称为态发生了变化,则此变化称为“定压过程定压过程”,余类推。余类推。循环过程循环过程 体系由某一状态出发,经过一系体系由某一状态出发,经过一系列变化,又回到原来的状态,这种特殊变化列变化,又回到原来的状态,这
21、种特殊变化称为称为“循环过程循环过程”。途径途径(pathpath)在体系状态发生变化时,由一在体系状态发生变化时,由一始态到另终态,可以经由不同的方式。这种始态到另终态,可以经由不同的方式。这种由同一始态到同一终态的不同方式可称为不由同一始态到同一终态的不同方式可称为不同的同的“途径途径”。不同的途径示意不同的途径示意 恒温过程恒温过程 298K,1105Pa 298K,5105Pa 定压定压 定压定压 过程过程 过程过程 1000K,105Pa 1000K,5105Pa 恒温过程恒温过程第三节第三节 热力学第一定律热力学第一定律 1840年左右,焦耳年左右,焦耳(Joule)和迈耶和迈耶(
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