《物理化学第一章讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理化学第一章讲解（137页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/10/17,物 理 化 学,邮箱：weihui75,韦 卉,2019/10/17,绪 论,2019/10/17,绪 论,2019/10/17,物理化学是从物质的化学现象和物理现象之间的相互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学科。 -付献彩-,1、定义,2019/10/17,物理化学的定义,2019/10/17,物理因素影响化学变化的进行,物理化学：利用数学、物理学中的理论及实验手段，研究化学变化。,2019/10/17,物理化学的定义,物理化学是研究化学学科中的原理和方法，研究化学体系行为最一般规律和理论的学科，是化学的理论基础。 -自然科学学科发展战略调研报告-,
2、2019/10/17,物理化学的研究内容,物质结构：宏观性质与微观结构的关系,1、物理化学的研究内容：,化学热力学：方向，限度，能量转换，宏观性质,化学动力学：反应速率及机理,2019/10/17,物理化学的研究方法,2、物理化学的研究方法,（1）理论基础：,热力学、统计力学、量子力学,(热力学方法) 宏观体系作为研究对象，以两个经典热力学定律为基础，用一系列热力学函数及其变量，描述体系从始态到终态的宏观变化，而不涉及变化的细节。经典热力学方法只适用于平衡体系。,2019/10/17,物理化学的研究方法,(统计力学方法) 用概率规律计算体系内部大量质点微观运动的平均结果，从而解释宏观现象并计算
3、一些热力学的宏观性质。,(量子力学方法) 用量子力学的基本方程（E.Schrodinger方程）求解组成体系的微观粒子之间的相互作用及其规律，从而指示物性与结构之间的关系。,2019/10/17,物理化学的研究方法,（2）实验方法：以物理方法为主。,（3）数学演绎法,3、物理化学的建立与发展,十八世纪开始萌芽： 从燃素说到能量守恒与转化定律。俄国科学家罗蒙诺索夫最早使用“物理化学”这一术语。,2019/10/17,物理化学的建立与发展,十九世纪形成： 19世纪中叶：热力学第一定律、热力学第二定律的提出 1850年：Wilhelmy 第一次定量测定反应速率 1879年：质量作用定律建立 1889
4、年：Arrhenius 公式的建立和活化能概念的提出 1887年：德文“物理化学”杂志创刊 1906 1912年：Nernst热定理和热力学第三定律的建立,2019/10/17,二十世纪迅速发展： 1920 1960 年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。,1960年-至今： (1)从宏观到微观 (2)从体相到表相 (3)从定性到定量 (4)从单一学科到交叉学科 (5)从研究平衡态到研究非平衡态,物理化学的建立与发展,前沿领域：分子动态学、表面与界面物理化学、非平衡非线性化学、分子设计与分子工程学等,2019/10/17,(1) 抓重点，在理解的基础上记忆、推导公式。,(2)
5、掌握解题的技巧和方法。,(3)自学，复习，思考，解题。,物理化学课程的学习方法,4、物理化学课程的学习方法,2019/10/17,5、教材和参考书,（1）教材：,（2）参考书：,南京大学物理化学,天津大学物理化学,物理化学 印永嘉,2019/10/17,第一章 热力学第一定律,2019/10/17,2019/10/17,热力学的任务：方向、限度、能量转换、宏观性质,2019/10/17,2019/10/17,真实气体微观模型：,回顾,分子分子本身有体积，分子间有相互作用力。,一、理想气体,2019/10/17,理想气体,（一）理想气体微观模型,注：真正的理想气体是不存在的，当低压力（或者很高温
6、度）时的真实气体可近视认为是理想气体，因此理想气体是真实气体在 p0 情况下的一种极限状态。,（2）气体分子作无规则的热运动，分子间无相互作用力。,（3）分子之间及分子与容器壁之间的碰撞是完全弹性的，即碰撞没有能量损失。,（1）气体是大量分子的集合体，分子的体积很小，可以忽略不计，当成数学上的点来处理。,2019/10/17,理想气体状态方程,任何一种理想气体，都能满足以下状态方程：,（二）理想气体状态方程,R：摩尔气体常数，8.314 JK-1mol-1,p, V, T, n 的意义及单位；,Vm：摩尔体积，m3 mol-1；,注：,2019/10/17,体系和环境,（一）定义,1、系统：研
7、究的对象称为系统，也称体系。,体系和环境之间的界面可是真实的，也可是假想的，可以是静止的，也可是运动的。,2019/10/17,例子,1、一个装有O2的密闭容器中，当我们要研究其中的O2时，则：,环境和体系的界面：真实的，静止的。,研究体系：容器中的O2,环境：容器及周围的空气,2019/10/17,结论：体系和环境之间的界面本质上是人为设想的几何面，其中不包含有物质，因此不存在有物理性质和化学性质。,2、装有半杯水的烧杯，当我们研究的对象是烧杯中的水及上方的水蒸气时：,系统：水与水蒸气,系统和环境的界面：假想的、运动的,环境：烧杯及周围的空气,例子,2019/10/17,体系的分类,与环境之
8、间只有能量的交换，没有物质交换的体系。,与环境之间既有能量的交换，又有物质的交换的体系。,1、隔绝体系：,2、封闭体系：,3、敞开体系：,（二）体系的分类,与环境之间既没有能量、也没有物质交换的体系。,2019/10/17,例子,容器中进行以下反应：,问：该体系是什么体系？界面在什么地方？,解答：,（1）按照质量守恒定律，上述体系属于等温、等压的封闭体系，产生的气体应该始终包含在界面之内，则界面不断扩大。,（2）如果把界面定为液面，则在等温、等压条件下，产生的气体必定会穿过界面逸出，则此体系为敞开体系。,2019/10/17,体系的分类,（3）如果是在不透光、不导电及不传热的密闭容器中进行，则
9、体系为一个隔绝体系，界面是容器壁。,结论,(2)体系性质一旦确定下来，在处理问题的过程中，体系的性质就不能改变。,(1)对于同一个体系，限定不同的条件，体系的性质就不相同，即体系的选择有一定的任意性；,2019/10/17,体系的性质与状态,（一）定义：,状态：,性质：,（二）描述状态的性质：,（性质又称状态函数）,三、体系的性质与状态,描述体系状态的宏观物理量。,体系一系列性质的综合表现。,2019/10/17,体系的性质与状态,即广度量，具有加和性，与体系的物质的量有关，,即强度量，没有加和性，只与体系的性质有关，,广度性质和强度性质的关系：,或 强度性质两个广度性质的商，如：,1、广度性
10、质：,2、强度性质：,如：m，n，V 等。,如：T, P, 等。,2019/10/17,体系的性质与状态,（1）系统的少数性质确定了，其他性质全都确定。,注意：系统的性质是相互关联的，即,（2）系统的一个性质变，往往会引起其他性质的改变。,对于一个无化学变化、单相、纯物质的单组分封闭体系，体系状态的确定一般需要三个独立性质（二个强度性质，一个广度性质）。通常我们采用温度（T）、压力（p）和物质的量（n）为独立变量。,2019/10/17,状态函数的性质,（四）状态函数的数学性质,对于封闭体系，假设系统中任一个状态函数Z都可以表示为 x、y 变量的函数，即 Z = f(X，Y)，则满足：,（1）
11、环状积分为零：,（2）尤拉关系：,（3）归一化关系：,2019/10/17,推论,1、根据状态函数的性质，体系由初态A经过一系列变化后，又恢复到原来的状态A时，状态函数的变化量为零，性质复原，因此状态函数具有单值性。,2、体系状态变化发生后(A B)，状态函数改变量，只取决于体系的始态和终态，而与体系变化所经历的过程途径无关。,(周而复始，值变为零),（殊途同归，值变相等）,2019/10/17,体系的性质与状态,（五）性质与状态的关系,1、状态定，体系所有性质都定。,2、状态变，不一定所有性质都变，但只要一个性质变了，状态一定变。,例如：理气的等温过程：,p1，V1，T,状态1,p2，V2，
12、T,状态2,状态变， 但T不变。,2019/10/17,热力学平衡态,（一）热力学平衡态,当体系的各种宏观性质（如：温度、压力、体积等）不随时间改变而改变时，则体系处于热力学平衡状态。,体系的广度性质和强度性质有一定的数值，体系中没有宏观量流动。,1、定义：,2、特点：,四、热力学平衡态,2019/10/17,热力学平衡态,3、要求：,热平衡,力平衡,物质平衡,相平衡,化学平衡,体系各部分温度相等,体系各部的压力都相等,体系物质的组成、数量不随时间改变,2019/10/17,热力学平衡态,（二）热力学体系非平衡态,四个平衡没有全部完成，我们研究的体系基本上都是热力学的平衡体系。,2019/10
13、/17,例子,1、在273.15K ，1mol的理想气体的体系已经完全实现四个平衡，则这个体系可以称为热力学平衡体系。,该平衡体系此时的状态为：,（此外，还可利用理想气体的状态方程算出体系的压力。）,只要外界条件没有发生变化，则体系的这些性质（如压力、温度等）都不会发生变化。,温度= 273.15K，物质的量 = 1mol，体积= 22.4L。,2019/10/17,例子,2、将两种不同的气体分装在同一气缸的不同气室内，二气室之间有隔板隔开。 左气室气体的状态：V=20ml，T=273K，p=1.01*102 KPa； 右气室气体的状态：V=30ml，T=303K， p=3.03*102 KP
14、a 。 若选取整个汽缸中的气体为研究体系，则体系的状态为两部分，每一部分都已达到平衡，但是各部分的平衡条件不同，此种情况我们称为,“隔离平衡态”。,2019/10/17,过程与途径,过程：系统状态发生的变化称为过程。,途径：完成变化过程的具体步骤或细节称为途径。,五、过程与途径,（一）定义：,2019/10/17,过程与途径,（二）系统变化过程的类型：,（1）简单物理变化：单纯 p、V、T 变化 （2）复杂物理变化：相变、混合等 （3）化学变化,2019/10/17,（三）几种重要的过程,1、等温过程：,T始 = T终 = T环 = const.,2、等压过程：,3、等容过程：,p始 = p终
15、 = p环= const.,V始 = V终=const.,(变化过程中的温度可以是不同的),(变化过程中的压力可以是不同的),过程与途径,2019/10/17,4、绝热过程：,无热交换,5、循环过程：,始态始态,过程与途径,2019/10/17,热和功,Q 的取号：,系统吸热 Q0，,系统放热Q0。,六、热和功,计算公式：,C为热容，一般为温度的函数，即：,C = f(T),若C为常数：,（1）热：在系统与环境之间因存在温度差而传递的能量。以“Q”表示，单位为 J 或 kJ。,(P.11),2019/10/17,热和功,（2）功：系统和环境之间除热以外，以其他形式传递的能量称为功。如：体积功、
16、机械功，电功，表面功等。功以“ W ”表示，单位为：J 或 kJ。,W 的取号,环境对体系作功（体系得功），,体系对环境作功（体系失功），,W 0,W 0,分类：,体积功 ( W ),非体积功 ( W ),注意：功和热是过程量，它们的微小量变化分别用 、 表示。,2019/10/17,热力学物理量,(2) 一般过程Q -Q逆， W -W逆；,但Z - Z逆,热和功,2019/10/17,小结,1、体系与环境 2、三类体系（本章重点；无相变、无反应、均相封闭体系） 3、性质和状态 4、四大平衡条件 5、过程与途径 6、功和热,小结：,2019/10/17,练习,判断下列的说法是否正确: (1)状态固定以后，状态函数都固定，反之亦然。 (2)状态函数改变后，状态一定改变。 (3)状态改变后，状态函数一定都改变。 (4)体系的状态即是平衡态。 (5)压力是体系微观粒子碰撞容器壁时动量改变量的量度。 (6)压力是体系微观粒子相互碰撞时动能改变量的量度。,
