实践创新―人生的启迪讲座

实践、创新—人生的启迪2013年3月29日物理化学教研室黑恩成化学与分子工程学院“名师导航”系列讲座二.实践是真知的源泉三.成果的价值在于创新四.以勤奋求实赢取成功五.乘风破浪把握航程一.让实践和创新统领教和学1.教学思想和原则—“少而精和博而通”所谓“少而精”是指教学突出重点、教深教透，使学生能举一反三、触类旁通。而“博而通”是指广博的知识面，学生解决问题思维活跃、能融会贯通。前者是教师的教学准则，后者主要通过教师的引导和学生刻苦自学逐步实现。一.实践和创新统领教和学1.学习和运用归纳、演绎、假设、模型的方法。2.勤思索，亲力亲为，扩大知识面。3.熔炼处理问题的思路、方法和技巧，激发思维热点。4.自学—培养学习的能力。5.总结学习心得。6.学会利用学习资源。2.思维方法和学习方法1.吉布斯(Gibbs)相律pTxxxxyy,,',',BABABA独立变量数目?相互依赖关系?二.实践是真知的源泉——实例与启迪系统处于平衡时强度性质中独立变量数目的规律。方程z=5x+3y+2z=5x+3y+2z=5x+3y+2y=2x+3y=2x+3x=2变数333独立变数210观察出什么规律?为求解包含个未知数的代数问题，必须建立关联这些未知数的独立的代数方程。设能建立的方程为个，则会有如下两种情况：①,未知数有确解,即无自由度。②,未知数无确解,必须补充或指定个关系式或未知数的值才能解决这个问题,即该问题中有个自由度。nmnmnmmnmn相律表达式导出方法：罗列变数；找出依赖关系；求差值个组分个相的相平衡系统的变数：个1)(,,,,,,,,,,,,)(1)()()((2)1(2)1(2)(2)(1)1(1)1(1)(1)KπxxpTxxpTxxpTKKKπK限制方程数：(1)热平衡T(1)=T(2)=…=T(π)，(π-1)个(2)力平衡p(1)=p(2)=…=p(π)，(π-1)个(3)相平衡(4)达平衡的独立的化学反应R个(5)其它限制关系R’个个)1()()2()1()(1)2(1)1(1KKKK0BBB相律：RRKf2称为平衡系统的自由度，其物理意义为：f（1）确定一个系统的状态所必须确定的独立强度性质的数目。（2）在一定范围内可独立变动而不致引起旧相消失或新相生成的强度性质的目。科学家吉布斯吉布斯，美国数学物理学家，经典统计力学及化学热力学创始人，有近代物理化学之父称号，终生于耶鲁大学任教。他科学成就的第一个高峰是他的热力学三部曲，第二个高峰是他经过10年多深思熟虑完成的不朽名著《统计力学的基本原理》。鉴于他的突出科学成就，任美国GibbsJW,1839—1903科学院院士、美国艺术与科学学院院士。在他去世50年后，纽约大学伟人纪念堂安放了他的半身青铜塑像，与华盛顿、林肯、富兰克林、爱迪生等人相并列。吉布斯治学严谨、顽强勤奋进取。常常谢绝观光邀请，独自到图书馆阅览，可以说他的生活就是学习。他思维敏捷，洞察力超人，但谦虚谨慎。他总是说：“若别人注意到了这些相同的问题，也一定会得出同样的结果。”吉布斯的科学生涯并非一帆风顺。1871年吉布斯成为耶鲁学院数学物理学教授，也是全美第一个这一学科的教授。由于吉布斯没有发表过文章，所以在他担任这一教职的最初几年没有薪水。之后，由于他人长时间不懂或不能理解他的学术内涵及价值，而得不到正确评价。但吉布斯毫不在意，于逆境中继续创造人间奇迹。2.水的相图在水的三相点O：自由度=0温度为0.01℃压力为610.5Pa相图上点线面的物理意义f自从1854年Kelvin提出用一个热力学温度值定义热力学温标后，人们几乎经过一个世纪的努力，才幸运地找到了水的三相点温度值是定义热力学温标的最理想值，因为可由热力学证明，这个温度极为稳定。物理化学宗师—黄子卿1900—1982正是由于这个原因，测量这个温度的实验设计及操作难度是难以想象的。1934年精妙地设计了实验装置并且准确测定了水的三相点温度0.00980±0.00005℃，被国际上普遍接受。经美国标准局组织人力重复验证，结果全一致。以此为标准1948年国际温标会议正式确认绝对零度为-273.15℃。水的三相点温度测定抽真空三相点瓶水的三相点是指纯水的三个相平衡共存时的温度，这个温度为0.01℃。空气会少量溶解于水，从而使水的冰点下降。可以计算，在0℃和101325Pa的空气压力下凝固点的下降值为0.0024K。为消除这一影响，所以要抽真空。为什么要抽真空？1.理想气体简化的微型：•分子无体积•分子间无相互作用p~分子完全弹性碰撞器壁V~分子可自由运动的空间nRTpV三.成果的价值在于创新——实例与启迪恒温面恒温线恒压面恒压线状态图、恒温线、恒压线理想气体V-T图理想气体p-V图VTC15.273理想气体的恒温线总是双曲线，无论温度多低、压力多高，都不可能使其液化，因而它是一种永久性气体。事实上，任何物质都能发生气液相变，并且温度越高，饱和蒸气压越大。然而，这种平衡关系能否随温度的升高而无限地保持？这个问题使人们困惑了近50年。1869年英国物理学家Andrews发表了轰动学术界的报告“论物质液态和气态2.实际流体的连续性”，如何解释物质的液化和临界现象，成为当时研究的最热门的课题。意想不到的是，这个问题竟在四年之后被一位荷兰青年所解决，这位青年就是vanderWaals。vanderWaals出身贫苦，中学时代一度辍学在印刷厂当学徒工，后在小学和中学教书，由于不懂古典语言，失去报考大学的资格。他以顽强的自学精神感动了莱顿大学的教授们，破例获准旁听课程和进实验室实验。1873年vanderWaals获博士学位，其博士论文以“论气态和液态的连续性”为题将vanderWaals方程公布于世。VanderWaalsJD,1837—1923压缩因子iddef)/()(VVpnRTVnRTpVZ00,pTpZZ-p恒温线由低温时流体的恒温线先下降后上升的现象可知，有两个相互对抗的因素同时影响，这两个因素分别是分子的体积和分子间的相互作用。VanderWaals气体的微观模型：只具有吸引力的刚体球。3.VanderWaals方程ZpZ状态方程的类比移植弹性碰撞RTpVm:)(2mVap弹性碰撞:)(mbV自由体积:p：mV自由体积RTbVVap))((m2ma是物质的特性常数2m21Vp内2mVap内2mi.g.Vapp内压：已占体积b：(1)i、j的质心不能同时在的体积内;(2)一个分子应扣除的体积;(3)1mol分子应扣除的体积为：3)2(3421rbVLrLrm334344)2(34213)2(34rVanderWaals方程对气液相变的应用4.对应状态原理（1）将VanderWaals方程用于临界点：375.0cZ（2）普遍化的VanderWaals方程：rrrrTVVp38)31)(3(2（3）对应状态原理：),(rrpTfZ普遍化压缩因子图1873年，VanderWaals的论文很快就受到著名物理学家Maxwell的重视。Maxwell在《自然》杂志上评述了VanderWaals的工作，并且断言“VanderWaals的名字将很快出现在第一流分子科学家的名单中。”从而使这位年轻人用荷兰文撰写的论文迅速为物理学界所知晓。对工作的评价MaxwellvanderWaals由于vanderWaals作出的这些具有深远影响的贡献，瑞典皇家科学院于1910年将诺贝尔物理学奖授予了他，时年vanderWaals73岁。此后，他一直在该领域寻找着新的契机，追求着更新的进步。vanderWaals—获诺贝尔奖的最长者四.以勤奋求实赢取成功1.焦耳的追求精神Joule热功当量实验WQU4.1855Jcal1JouleJP，1818—1889理想气体的热力学能和焓仅是温度的函数焦耳实验（1843年）HUJoule实验中一个令人费解的问题内压是分子间相互作用大小的热力学度量。2MPa干空气分子间的相互作用已不可忽视，但为何?TVU0TVUJoule实验没有正确反映出系统性质的改变，故不能由该实验得出理想气体的热力学能和焓仅是T的函数的结论。从这个意义上说这是一个失败的实验。然而，实验结论对理想气体却是完全正确的。为了正确反映实验结果，Joule和Thomson合作对这个实验进行了改进。Thomson即Kelvin，热力学第二定律的创建者之一，曾设计和领导铺设横跨大西洋的海底电缆。他曾拥护热质论，反对Joule2.焦耳-汤姆逊实验亦称焦耳-汤姆逊效应或节流过程热力学特征：恒焓过程的热功当量实验。随着科学界对Joule工作的肯定，他接受了热功当量的观点，并与Joule合作研究，Joule－Thomson实验就是由他设计并与Joule花了十年时间一起完成的。3.奥斯特瓦德的勤奋1853.9.2~1932.4.4德国化学家和唯能论的创始人。物理化学学科创始人，20世纪颜色学的首创者。鉴于在物理化学方面的成就及对催化剂研究的贡献，1909年获诺贝尔化学奖。1878~1903年，发表论文和报告5000余篇。1888年提出冲淡定律。著作有《电化学》、《普通化学教程》和《精密科学的经典作家丛书》等。愿各位同学开拓创新、乘风破浪开辟新的航程。…………五.乘风破浪把握航程