物理化学电子教案

教案2008-2009学年第2学期学院系室化学与环境工程系课程名称物理化学计划学时68专业年级07环境工程主讲教师贾庆超安阳工学院1绪论教学目的：掌握理想气体状态方程的应用，理想气体的微观模型掌握混合理想气体的分压定律及分体积定律掌握饱和蒸气压的概念，熟悉物质在临界状态的特性教学重点：理想气体状态方程、分压定律及分体积定律教学难点：饱和蒸气压教学方法：多媒体教学课时:21、什麽是物理化学物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手，来探求化学变化及相关的物理变化基本规律的一门科学。---付献彩物理化学——是化学科学中的一个重要分支学科。它是借助数学、物理等基础科学的理论及其提供的实验手段，研究化学科学中的原理和方法，研究化学体系行为最一般的宏观、微观规律和理论的学科，是化学的理论基础。2、物理化学的研究内容(1)化学反应的方向、限度和能量效应-化学体系的平衡性质(2)化学反应的速率和反应机理-化学体系的动态性质(3)化学体系的微观结构和性质物理化学的分支学科化学热力学统计力学结构化学化学动力学其他分支学科：电化学、表面及胶体化学、催化化学等。物理化学原理应用于不同的体系，则产生了物理有机化学、生物物理化学、材料物理化学、冶金物理化学等。3、物理化学的建立与发展第一阶段：1887-1920s—化学平衡和化学反应速率的唯象规律的建立19世纪中叶—热力学第一定律和热力学第二定律的提出21850—Wilhelmy第一次定量测定反应速率1879—质量作用定律建立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3(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4第一章热力学第一定律教学目的：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教学重点：热力学第一定律及应用，相变化、化学反应热的计算过程。教学难点：可逆过程，设计途径。教学方法：多媒体教学课时:1651.1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，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/PV=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。),(yxfX,)()(dyyXdxxXdXxy6•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=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，Q0；系统放热，Q0。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，1221XXdXXXX7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，W0；系统对环境作功，W0。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•W=-Fdl=-pambAsdl=-pambd(Asl)W=-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W=-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。VpWdambVpWamb恒外压过程0ambVpW)()(12212ambambVVpVVpVpWVpWdambVppd)d(21dVVVp12lnVnRTV8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。U=U2-U11.2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。U=Q+W对微小变化：dU=Q+W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表示，以示区别。U=Q+W机器循环U=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=Q-pambdV+W’当W’＝0，dV＝0时：dU=QV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=QpambdV+W’当W’＝0，p=pamb=定值时：Qp=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=Qp(dp=0，W’=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)'dambWVpQ9dH=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、H1.4热容、恒容变温过程、恒压变温过程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+cT2Cp,m=a+bT+c’T2Cp,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,m2.恒容过程：QV=dU=CVdT=nCV,mdT(温度变化很小)dQCT1KJ()dpppQHCTTdppHQCT()dVVVQUCTTdVVUQCT211212,m,dTTpmppTTQTTTCC,m(mix),mB(B)(B)VVCyC,m(mix),mB(B)(B)ppCyC10T1T2恒容V2=V1△H=△U+△(pV)=△U+V△p理想气体：△H=△U+nR△T3.恒压过程：Qp=dH=CpdT=nCp,mdTT1T2恒压p=pamb=定值△H=△U+△(pV)=△U+p△V理想气体：W=pamb△V=p△V=nR△T△H=△U+nR△T恒压变温：Qp=dH=CpdT=nCp,mdTT1T2恒压p=pamb=定值，凝聚态△V≈0W=pamb△V=p△V≈0△U=Q+W≈Q1.5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,dV0Q=0而自由膨胀W=0dU=Q+W=0U=f(T)由定义理气H=U+pV=U+nRTd()d()dVTUUUTVTV