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1、绪论Introduction 化学现象与物理现象的联系 一 什么是物理化学 化学反应物理现象 伴随发生 影响 物理化学由此联系出发研究化学反应的普遍规律 物理化学的研究方法 理论基础 热力学 统计力学 量子力学实验方法 以物理方法为主数学演绎方法 所以 物理化学是集化学 物理及数学于一身的一门学科 即以物理和数学的方法研究化学问题 二 物理化学的任务 1 化学热力学 方向 限度 能量转换 宏观性质 2 化学动力学 反应速率及机理 3 物质结构 宏观性质与微观结构的关系 四 数学准备 例如 复合函数微分法 则 此公式是以下数学处理方法的结果 令 则 在y不变的条件下此式两端同除以dx 得 五 教
2、材和参考书 教材 朱文涛 物理化学中的公式与概念 朱文涛 物理化学 参考书 傅献彩等 物理化学 天津大学 物理化学 胡英 物理化学 Ira N Levine PhysicalChemistryP W Atkins PhysicalChemistry 第一章气体Chapter1Gas 1 1理想气体 Idealgas 一 理想气体状态方程 Equationofstateforidealgas p V T n的意义及单位 Vm 摩尔体积 m3 mol 1R 摩尔气体常数 8 314J K 1 mol 1 理想气体的定义及方程的用途 定义 在任意温度和压力下都严格服从理想气体状态方程的气体 用途 对
3、于一定量的理想气体 pVT中有一个不独立 所以p可叙述为 将物质的量为n的理想气体置于一个温度为T体积为V的容器中 气体所具有的压力 低压实际气体可近似当作理想气体 二 分压定律 TheLawofPartialPressure 1 分压 在气体混合物中 定义 pB代表组分气体B对气体混合物压力的贡献 2 分压定律 对理想气体混合物 在理想气体混合物中 任意组分气体的分压等于同温下该气体在容器中单独存在时的压力 1 2实际气体 Realgas 一 实际气体状态方程 Equationofstateforrealgas 问题提出 用理想气体状态方程计算实际气体 产生偏差 至今实际气体状态方程已约20
4、0个 VanderWaals方程 思想 对实际气体分别做两项修正 方程 a和b VanderWaals常数 可查 意义方程的优缺点 二 对比状态原理 Theprincipleofcorrespondingstates 1 几个概念 1 蒸气压 在讨论气 液转化时常用 定义 在一定条件下 能与液体平衡共存的它的蒸气的压力 例如 是液体的性质 表示液体挥发的难易 其大小决定于液体所处的状态 主要决定于温度 沸点 蒸气压 外压时的温度 通常是指蒸气压 101325Pa 称 正常 沸点 2 临界参数和临界点 定义 Tc 利用加压手段使气体液化的最高温度 pc 在临界温度时使气体液化所需的最小压力 Vc
5、 在临界温度和临界压力时气体的摩尔体积 是物性参数 不易测定 3 对比参数和对比状态 定义 范氏对比方程 1881年将范氏方程应用于临界点并进行纯数学处理 得到 代入原方程并整理 VanderWaals对比方程 启示 f pr Vr Tr 0 即不同气体如果它们具有相同的pr和Tr 则Vr必相同 称它们处在相同对比状态 2 对比状态原理 处在相同对比状态的各种气体 乃至液体 具有相近的物性 如摩尔热容 膨胀系数 压缩系数 黏度等 2 如何求Z Z不是特性参数 随气体状态而改变 Z f T p 代入对比参数 Zc Criticalcompressionfactor 若满足范氏方程 则 即Zc 3
6、 8 0 375 实验表明 NeArCH4CF4O2N2CO 0 310 290 290 280 290 290 30 Zc const 于是 处在相同对比状态的各种气体不仅有相近的物性 而且有相同的压缩因子 于是许多人测定Z 结果确是如此 将测量结果绘制成图 压缩因子图 如何用图 例CO2 304K 110 101325Pa Vm 本章小结 气体计算方法 理想气体状态方程 实际气体状态方程 压缩因子图 二 对比状态原理 Theprincipleofcorrespondingstates 1 几个概念 1 蒸气压 在讨论气 液转化时常用 定义 在一定条件下 能与液体平衡共存的它的蒸气的压力 例
7、如 是液体的性质 表示液体挥发的难易 其大小决定于液体所处的状态 主要决定于温度 沸点 蒸气压 外压时的温度 通常是指蒸气压 101325Pa 称 正常 沸点 物化朱文涛02 实气 热力学概念 2 临界参数和临界点 定义 Tc 利用加压手段使气体液化的最高温度 pc 在临界温度时使气体液化所需的最小压力 Vc 在临界温度和临界压力时气体的摩尔体积 是物性参数 不易测定 3 对比参数和对比状态 定义 范氏对比方程 1881年将范氏方程应用于临界点并进行纯数学处理 得到 代入原方程并整理 VanderWaals对比方程 启示 f pr Vr Tr 0 即不同气体如果它们具有相同的pr和Tr 则Vr
8、必相同 称它们处在相同对比状态 2 对比状态原理 处在相同对比状态的各种气体 乃至液体 具有相近的物性 如摩尔热容 膨胀系数 压缩系数 黏度等 2 如何求Z Z不是特性参数 随气体状态而改变 Z f T p 代入对比参数 Zc Criticalcompressionfactor 若满足范氏方程 则 即Zc 3 8 0 375 实验表明 NeArCH4CF4O2N2CO 0 310 290 290 280 290 290 30 Zc const 于是 处在相同对比状态的各种气体不仅有相近的物性 而且有相同的压缩因子 于是许多人测定Z 结果确是如此 将测量结果绘制成图 压缩因子图 如何用图 例CO
9、2 304K 110 101325Pa Vm 本章小结 气体计算方法 理想气体状态方程 实际气体状态方程 压缩因子图 第二章热力学第一定律Chapter2TheFirstLawofThermodynamics 热力学的任务 方向 限度 能量转换 宏观性质 热力学的特点 研究对象 N 1020宏观方法无涉及时间因素 本章目的 能量转换规律物化学习方法 2 1基本概念 Importantconcepts 一 系统和环境 Systemandsurroundings 定义 系统 研究对象 也称体系 环境 与系统有相互作用的外界 系统的分类 开放系统 敞开系统 封闭系统孤立系统 系统 二 热力学平衡状态
10、 定义 状态 平衡状态 热平衡力学平衡相平衡化学平衡 平衡状态包括的具体内容 Thermodynamicequilibriumstate 平衡状态 三 状态函数 Statefunction 定义 用于描述系统状态的宏观性质 数学表述 分类 容量性质 与n成正比 有加和性 例如m C V 是n的一次齐函数 强度性质 与n无关 无加和性 例如T p Vm 是n的零次齐函数 特点 1 相互关联 单组分均相封闭系统有两个独立变量 无组成变化的封闭系统 2 变化只决定于初末状态 作业 第一章10 第二章1 5 6 A 1 17阅读 A 2 12 2 物化朱文涛03 第一定律 功 可逆过程 调课通知 9
11、23 二 的课调至9 21 日 晚7 00 2 9 30 二 的课停 3 10 14 二 的课调至10 12 日 晚7 00 2 对比状态原理 处在相同对比状态的各种气体 乃至液体 具有相近的物性 如摩尔热容 膨胀系数 压缩系数 黏度等 2 如何求Z Z不是特性参数 随气体状态而改变 Z f T p 代入对比参数 Zc Criticalcompressionfactor 若满足范氏方程 则 即Zc 3 8 0 375 实验表明 NeArCH4CF4O2N2CO 0 310 290 290 280 290 290 30 Zc const 于是 处在相同对比状态的各种气体不仅有相近的物性 而且有相
12、同的压缩因子 于是许多人测定Z 结果确是如此 将测量结果绘制成图 压缩因子图 Tr 1pr 1 5 Z 0 25 110 101325Pa Vm 0 25 8 314J K 1 mol 1 304K 解得 Vm 5 67 10 5m3 mol 1 如何用图 例CO2 304K 110 101325Pa Vm 本章小结 气体计算方法 理想气体状态方程 实际气体状态方程 压缩因子图 第二章热力学第一定律Chapter2TheFirstLawofThermodynamics 热力学的任务 方向 限度 能量转换 宏观性质 热力学的特点 研究对象 N 1020宏观方法无涉及时间因素 本章目的 能量转换规
13、律物化学习方法 2 1基本概念 Importantconcepts 一 系统和环境 Systemandsurroundings 定义 系统 研究对象 也称体系 环境 与系统有相互作用的外界 系统的分类 开放系统 敞开系统 封闭系统孤立系统 系统 二 热力学平衡状态 定义 状态 平衡状态 热平衡力学平衡相平衡化学平衡 平衡状态包括的具体内容 Thermodynamicequilibriumstate 平衡状态 三 状态函数 Statefunction 定义 用于描述系统状态的宏观性质 数学表述 分类 容量性质 与n成正比 有加和性 例如m C V 是n的一次齐函数 强度性质 与n无关 无加和性
14、例如T p Vm 是n的零次齐函数 特点 1 相互关联 单组分均相封闭系统有两个独立变量 无组成变化的封闭系统 2 变化只决定于初末状态 四 过程与途径 Processandpath 按系统初末状态的差异 分为 简单物理过程 pVT变化复杂物理过程 相变 混合等化学过程 按过程本身的特点 分为多种多样 物化感兴趣的几种典型过程为 等温过程 T1 T2 T环 const 等压过程 p1 p2 p外 const 等容过程 V const 绝热过程 循环过程 五 热量和功 Heatandwork 定义 由于温度不同而在系统与环境之间传递的能量 Q 除热以外 在系统与环境之间所传递的能量 W 符号 系
15、统吸热 Q 0 系统放热 Q0 环境做功 W 0 Q和W是过程量 热力学物理量 状态函数过程量 A 状态函数 B 状态函数 过程量 过程量 六 内能 Internalenergy 系统的能量 动能势能内能 定义 意义 也称热力学能 U 机械能 2 2热力学第一定律 TheFirstLawofThermodynamics 定律 能量守恒 叙述方法很多 第一类永动机不可能 不需证明 2 3功的计算 Howtocalculatework 一 功的分类 体积功Volumework 非体积功 电功表面功光轴功 等 功 二 体积功的计算 系统 V p外 dV 若体积膨胀或压缩dV 即V V dV 则 1
16、被积函数为p外 2 此式中的W与第一定律表达式中的W相同吗 3 具体过程的体积功 等压外过程 等压过程 自由膨胀 等容过程 理气等温可逆膨胀 压缩 可见 发生同样的状态变化 过程不同 功则不同 热也不同 三 可逆过程 Reversibleprocess 1 定义 热力学的一类过程 其每一步都可以反向进行而不在环境中引起其他变化 2 特点 1 双复原 逆向进行之后系统恢复到原状态 在环境中不留下影响 可逆过程进行之后 在系统和环境中产生的后果能同时完全消失 3 等温可逆过程功值最大 3 几种典型可逆过程 1 可逆膨胀和可逆压缩 力学平衡 2 可逆传热 热平衡 3 可逆相变 相平衡 4 可逆化学反应 A BC 可逆过程的重要性 2 4热的计算 Howtocalculateheat 一 等容热 Heatofisometricprocess 条件 等容 W 0 等压 条件 等压 三 热容和简单变温过程热的计算 简单变温过程 热容 Heatcapacity 1 等容热容 2 等压热容 令H H T p 则 等压 条件 等压简单变温过程 三 可逆过程 Reversibleprocess 1 定义
