简明物理化学山东大学教案Word格式文档下载.doc
- 文档编号:6977950
- 上传时间:2023-05-07
- 格式:DOC
- 页数:91
- 大小:4.89MB
简明物理化学山东大学教案Word格式文档下载.doc
《简明物理化学山东大学教案Word格式文档下载.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《简明物理化学山东大学教案Word格式文档下载.doc(91页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
1889—Arrhenius公式的建立和活化能概念1887—德文“物理化学”杂志创刊
19061912—Nernst热定理和热力学第三定律的建立
第二阶段:
1920s-1960s——结构化学和量子化学的蓬勃发展和化学变化规律的微观探索
1926——量子力学建立
1927——求解氢分子的薛定谔方程
1931——价键理论建立
1932——分子轨道理论建立
1935——共振理论建立
1918——提出双分子反应的碰撞理论
1935——建立过渡态理论
1930——提出链反应的动力学理论
第三阶段:
1960s---由于激光技术和计算机技术的发展,物理化学各领域向更深度和广度发展
宏观微观
静态动态
体相表相
平衡态非平衡态
物理化学的主要发展趋势与前沿
强化了在分子水平上的强化了对特殊集合态的
精细物理化学的研究物理化学的研究
分子动态分子设计工程;
表面界面非平衡态
(分子反应动力学;
物理化学物理化学
分子激发态谱学)
4、物理化学学科的战略地位
(1)物理化学是化学科学的理论基础及重要组成学科
(2)物理化学极大地扩充了化学研究的领域
(3)物理化学促进相关学科的发展
(4)物理化学与国计民生密切相关
(5)物理化学是培养化学相关或交叉的其它学科人才的必需
5、如何学好物理化学这门课
重视运用数学方法和公式、定律严格的阐述相结合
处理问题时的抽象化和理想化
注重概念
深入思考
一定数量的习题熟练地运用数学工具提高解题及运算的技巧
加深对概念的理解和公式条件的运用
讨论总结
联系实际
第一章热力学第一定律
掌握热力学的基本概念
热力学第一定律叙述及数学表达式
掌握恒容热容、恒压热容的定义,并能正确使用这些基础热数据计算。
掌握可逆过程的概念,针对理想气体的恒压、恒温、绝热等过程,掌握可逆功的计算。
掌握标相变焓、准摩尔生成焓及标准摩尔燃烧焓的定义,正确应用这些基础热数据计算
热力学第一定律及应用,相变化、化学反应热的计算过程。
可逆过程,设计途径。
16
1.1热力学基本概念
•系统与环境
系统(System):
在科学研究时必须先确定研究对象,把一部分物质与其余分开,这种分离可以是实际的,也可以是想象的。
这种被划定的研究对象称为系统,亦称为物系或体系。
环境(surroundings):
与系统密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。
•系统的分类:
根据系统与环境之间的关系,把系统分为三类:
(1)封闭系统(closedsystem)
系统与环境之间无物质交换,但有能量交换
(2)隔离系统(isolatedsystem)
系统与环境之间既无物质交换,又无能量交换,故又称为孤立系统。
有时把封闭系统和系统影响所及的环境一起作为孤立系统来考虑。
(3)敞开系统(opensystem)
系统与环境之间既有物质交换,又有能量交换。
•状态和状态函数:
状态(state)—指静止的,系统内部的状态。
也称热力学状态。
用各种宏观性质来描述状态如T,P,V,r等
热力学用系统所有性质描述系统所处的状态
状态固定,系统的所有热力学性质也就确定了
例如,理想气体T,P,V,n
状态函数(statefunction)——系统的各种性质,它们
均随状态确定而确定。
如T,p,V,n又如一定量n的理气V=nRT/P
V=f(T,P)T,P是独立变量
推广X=f(x,y)
其变化只与始末态有关,与变化途径无关。
状态函数的重要特征:
状态确定了,所有的状态函数也就确定了。
状态函数在数学上具有全微分的性质。
•系统的性质:
广度量(extensiveproperties):
性质的数值与系统的物质的数量成正比,如V、m、熵等。
这种性质具有加和性
强度量(intensiveproperties):
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。
两个广度量之比为强度量。
如r=m/n
•热力学平衡态:
当系统的诸性质不随时间而改变,则系统就处于热力学平衡态,它包括下列几个平衡:
热平衡(thermalequilibrium):
系统各部分温度相等。
力学平衡(mechanicalequilibrium):
系统各部的压力都相等,边界不再移动。
如有刚壁存在,虽双方压力不等,但也能保持力学平衡。
相平衡(phaseequilibrium):
多相共存时,各相的组成和数量不随时间而改变。
化学平衡(chemicalequilibrium):
反应系统中各物的数量不再随时间而改变。
•过程和途径:
系统从一个状态变到另一个状态,称为过程。
前一个状态成为始态,后一个状态称为末态。
实现这一过程的具体步骤称为途径。
系统变化过程的类型:
(1)单纯pVT变化
(2)相变化(3)化学变化
常见过程:
恒温过程T=T环境=定值
恒压过程P=P环境=定值
恒容过程V=定值
绝热过程无热交换
循环过程始态®
始态
.热:
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。
Q的取号:
系统吸热,Q>
0;
系统放热,Q<
0。
热不是状态函数,只有系统进行一过程时,才有热交换。
其数值与变化途径有关。
煤含有多少热量,这句话是否正确?
.功:
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。
功可分为体功W和非体积功W’两大类。
环境对系统作功,W>
系统对环境作功,W<
W不是状态函数,其数值与变化途径有关。
•pamb=externalpressure
•As=pistonarea
•dl=displacement
•dV=Asdl=volumechangeforthegas
•dW=-Fdl=-pambAsdl
=-pambd(Asl)
dW=-pambdV
对于宏观过程
注意:
不论是膨胀还是压缩,体积功都用-pambdV计算
只有-pambdV这个量才是体功,pV或Vdp都不是体积功。
特别情形:
恒压过程pamb=p=定值
dW=-pdV
设系统为理气,完成下列过程有多种不同途径:
(n,p1,V1,T)(n,p2,V2,T)
(1)自由膨胀(freeexpansion),即气体向真空膨胀
因为pamb=0,
(2)恒外压膨胀(pamb保持不变)
(3)外压比内压小一个无穷小的值外相当于一杯水,水不断蒸发,这样的膨胀过程是无限缓慢的,每一步都接近于平衡态。
所作的功
.
这种过程近似地可看作可逆过程,所作的功最大。
.热力学能:
热力学能(thermodynamicenergy)以前称为内
能(internalenergy),它是指系统内部能量的总和,包括分子运动的平动能、分子内的转动能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间的相互作用位能等。
热力学能是状态函数,用符号U表示,它的绝对值无法测定,只能求出它的变化值。
DU=U2-U1
1.2热力学第一定律
.热力学第一定律:
是能量守恒与转化定律在热现象领域内所具有的特殊形式,说明热力学能、热和功之间可以相互转化,但总的能量不变。
也可以表述为:
第一类永动机是不可能制成的。
一种既不靠外界提供能量,本身也不减少能量,却可以不断对外作功的机器称为第一类永动机,它显然与能量守恒定律矛盾。
历史上曾一度热衷于制造这种机器,均以失败告终,也就证明了能量守恒定律的正确性。
DU=Q+W
对微小变化:
dU=dQ+dW
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d表示,以示区别。
机器循环DU=0,-W=Q,对外做功必须吸热,第一类永动机不可能造成。
1.3恒容热、恒压热、焓
1.dU=dQ-pambdV+dW’
当dW’=0,dV=0时:
dU=dQV积分为:
∆U=QV
意义:
内能变等于恒容过程热。
适用条件:
恒容且不做非体积功的过程。
即系统和环境只有热交换。
2.dU=dQ-pambdV+dW’
当dW’=0,p=pamb=定值时:
dQp=dU+pambdV=dU+d(pV)=d(U+pV)
积分为:
Qp=∆(U+pV)
定义:
H≡U+pV,H称为焓(enthalpy)
则dH=dQp(dp=0,dW’=0)
或∆H=Qp(dp=0,W’=0)
3.焓不是能量,虽然具有能量的单位,但不遵守能量守恒定律。
H=U+pVdH=dU+d(pV)
dH=dU+pdV+Vdp
∆H=H2-H1=(U2+p2V2)-(U1+p1V1)=∆U+∆(pV)
∆(pV)=p2V2-p1V1
意义:
将与途径有关的Q转变为状态函数U、H
1.4热容、恒容变温过程、恒压变温过程
(温度变化很小)
1.热容定义:
单位
条件:
不发生相变化,化学变化,非体积功为零
定压热容Cp:
定容热容Cv:
摩尔热容Cm:
规定物质的数量为1mol的热容。
如Cp,m=Cp/n,CV,m=CV/n
热容与温度的关系
气体的等压摩尔热容与T的关系有如下经验式:
Cp,m=a+bT+cT2
Cp,m=a+bT+c’T-2
Cp,m=a+bT+cT2+dT3
理想气体:
Cp,m-CV,m=R以后证明,应当熟记
单原子理想气体:
CV,m=3/2R,Cp,m=5/2R
双原子理想气体:
CV,m=5/2R,Cp,m=7/2R
混合理想气体:
凝聚态:
Cp,m≈CV,m
2.恒容过程:
dQV=dU=CVdT=nCV,mdT
T1®
T2
恒容V2=V1△H=△U+△(pV)=△U+V△p
△H=△U+nR△T
3.恒压过程:
dQp=dH=CpdT=nCp,mdT
T2
恒压p=pamb=定值△H=△U+△(pV)=△U+p△V
W=-pamb△V=-p△V=-nR△T
△H=△U+nR△T
恒压变温:
dQp=dH=CpdT=nCp,mdT
恒压p=pamb=定值,凝聚态△V≈0
W=-pamb△V=-p△V≈0
△U=Q+W≈Q
1.5焦耳实验、理想气体的热力学能、焓
纯物质单相系统U=U(n,T,V)
一定量U=U(T,V)
焦耳实验结果表明:
水温未变dT=0,dV¹
0dQ=0
而自由膨胀dW=0\dU=dQ+dW=0
\
=0
U=f(T)
(因U与V无关)
由定义
理气H=U+pV=U+nRT
因U=f(T)
故H=f(T)
(因H与V无关)
1.6气体的可逆膨胀压缩过程,理想气体绝热可逆过程方程
1.气体的可逆膨胀压缩过程
可逆过程--在逆转时系统和环境可同时完全复原而不留任何痕迹的过程。
可以逆转使系统和环境都恢复原态的过程。
可逆过程的特征:
不但始末态为平衡态,而且中间过程均为平衡态。
不可逆过程--在逆转时系统和环境不能同时完全复原的过程。
一般经典热力学过程:
始末态为平衡态,但中间过程不一定为平衡态。
(n,p1,V1,T)(n,p2,V2,T)
始态未态
(1)恒外压膨胀(pamb保持不变)
(2)多次等外压膨胀
(3)可逆膨胀(外压比内压小一个无穷小的值)所作的功最大
可逆过程的特点:
(1)状态变化时推动力与阻力相差无限小,系统与环境始终无限接近于平衡态;
(2)过程中的任何一个中间态都可以从正、逆两个方向到达;
(3)过程的进行需无限长时间(无限缓慢地进行)
(4)恒温可逆过程中,系统对环境作最大功,环境对系统作最小功。
理气恒温过程DU=0,DH=0,Q=-W
2.理想气体绝热可逆过程方程
§
1.7相变化过程
1.相变焓
相:
系统内性质完全相同的均匀部分。
相变化:
系统中同一种物质在不同相之间的转变。
相变焓:
恒温恒压,无非体积功Qp=DH
B(a)B(b)(恒温恒压)
H(a)H(b)
摩尔熔化焓:
DfusHm
摩尔蒸发焓:
DvapHm
摩尔升华焓:
DsubHm
摩尔转变焓:
DtrsHm
一般在文献中给出可逆相变过程的相变焓,称为可逆相变焓
对于始末态都是凝聚相的恒温相变过程,不管过程是否恒压,都有:
DV=V2-V1≈0
W≈0,Q≈DU,DU≈DH
对于始态为凝聚相,末态为气相的恒温恒压相变过程,有:
DV=V2-V1≈V2=Vg
W=-pDV≈-pVg=-nRT
Qp=DH
DU=Q+W=DH-nRT
例:
已知水(H2O,l)在100℃时的饱和蒸气压ps=101.325kPa,在此温度、压力下水的摩尔蒸发焓DvapH=40.668kJ·
mol-1。
求在100℃、101.325kPa下使1kg水蒸气全部凝结成液体水时的Q、W、DU、DH。
设水蒸气适用理想气体状态方程式。
H2O(g)1kgH2O(l)1kg
100℃100℃
101.325kPa101.325kPa
解:
Qp=DH=n(-DvapHm)
={-1000÷
18×
40.668}kJ=-2257kJ
DU=DH-D(pV)=DH-p(Vl-Vg)
=DH+nRT
={-2257+1000÷
8.315(100+273.15)}kJ
=-2085kJ
W=DU-Q=172.2kJ
例:
在100℃的恒温槽中有一容积定为50dm3的真空容器,容器内底部有一小玻璃瓶,瓶中有液体水,水蒸发至平衡态,求过程的Q、W、DU及DH。
已知:
100℃时水的饱和蒸气压为101.325kPa,在此条件下H2O的摩尔蒸发焓为40.668kJ·
H2O(l)50gH2O(g)nmol
100℃真空H2O(l)(50/18-n)mol
100℃,101.325kPa
H2O(l)50g
100℃101.325kPa
n=pV/RT={101325×
0.05÷
8.315÷
373.15}mol
=1.633mol
过程1:
凝聚相受压力影响很小,DV=0,DT=0,则
W1=0,Q1=DU1»
0,DH1»
0
过程2:
DH2=nDvapH=66.41kJ
DU2=DH2-D(pV)2=DH2-nRT
={66.41-1.633×
8.315×
373.15}kJ
=61.34kJ
DU=DU1+DU2=61.34kJ
DH=DH1+DH2=66.41kJ
由于总过程pamb=0,不做非体积功,则
W=-pambDV=0
Q=DU=61.34kJ
已知100kPa下冰的熔点为0℃,此时冰的比熔化焓△fush=333.3J·
g-1。
水和冰的平均比定压热容cp为4.184J·
g-1·
K-1及2.000J·
K-1。
今在绝热容器内向1kg50℃的水中投入0.8kg温度为–20℃的冰。
求:
(1)末态的温度;
(2)末态冰和水的质量。
过程1Q1=△H1=△U1=m1cp,1△T1
=–{1000×
4.184×
50}J
=–209.2kJ
过程2Q2=△H2=△U2=m2cp,2△T2
={800×
2.000×
20}J
=32kJ
过程3Q3=△H3=△U3=m2△fush
={800×
333.3}J
=266.64kJ
由于–Q1>
Q2,所以系统的末态温度应不低于0℃。
过程
(2)可以进行完全。
而–Q1<
Q2+Q2,则过程(3)不可能进行完全,即冰不能完全熔化,故系统末态温度应不高于0℃。
所以,系统末态的温度为0℃。
水从50℃降温到0℃放出的热量Q1,一部分供应给冰从–20℃升温到0℃所需的热量Q2,一部分使质量为m3的冰熔化,即:
Q3’=△H3’=△U3’=m3△fush
Q3’+Q2=–Q1
m3=(–Q1–Q2)/△fush
={(209.2–32)/3333}g
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 简明 物理化学 山东大学 教案