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1、物 理 化 学,张丽,浙江理工大学理学院,18657161613,Office: 3s429 ,绪 论,化学学科的分支物理化学的内容和任务物理化学的发展与前景量与单位自学（P4-6）物理化学课程特点和学习建议参考书课程安排,化学学科的分支,分析化学 19世纪初 光性质 电性质的 现代仪器分析,无机化学 1870年前后 周期律及 周期表为标志,有机化学 19世纪下半叶 碳氢化合物 及其衍生物 高分子化学*,物理化学 1887年 化学反应的 方向、限度 速率、机理,绪 论,与其它学科交叉结合形成的边缘学科,化学学科的分支,绪 论,物理化学的内容和任务 1、什么是物理化学？,化学变化的同时 物理性质
2、的变化：聚集状态、p、V、T、U、S 物理现象的产生：热、光、电 物理环境的影响：温度、压力、光照、电弧,物理化学即是应用数学、物理学等基础科学的理论及实验方法，研究物质系统在发生pVT 变化、相变化和化学变化过程的基本原理，涉及平衡规律和速率规律以及与它们有关的物质结构和性质。,绪 论,如设计一个新产品（化工产品、特殊材料），首先要搞清楚以下问题：,用什么样的原料（反应的可能性)； 用什么方法生产（反应过程的实现）； 生产工艺参数（反应压力、温度、浓度、原料比）的确定； 在可能条件下，产品能达到的纯度（平衡转化率和产率）； 反应的速率(单位时间的产量)如何； 产品的提纯工艺（精馏、结晶、萃取
3、等）确定。,根据可持续发展战略，在考虑实际生产设计时要遵循以下原则：,绿色化学； “原子经济性”； 无毒、无害催化剂； “零排放”； 物质的综合利用和能源的综合利用。,物理化学可提供解决上述问题的基本方法和原则。,2、研究内容 化学热力学研究平衡规律。研究变化的方向、限度及过程中的能量衡算。理论具高度的准确性和极大的普遍性，可成功预测。 化学动力学(以及传输过程)研究速率规律。研究变化的速率及机理。受实验技术的限制，理论尚不能用于普遍的预测。 物质结构研究物质结构与其性质的联系。 理论主要为量子力学、统计热力学及计算化学，依赖于物质结构的微观数据。已作为独立的课程。,物理化学的内容和任务,绪
4、论,3、研究的目的和任务将化学领域各现象联系起来。对其中的一般规律性予以更深刻、更本质的探讨；正确反映客观世界，并以其规律指导实践；是改进旧的化学工艺、实现新的化工合成及新技术的基础和定量依据。应用领域：化学工业、冶金工业、材料工程、生物医学、能源的开发利用、三废治理等。,2,物理化学的内容和任务,绪 论,我们可以看出：,化学热力学是 解决物质变化的可能性化学动力学 是解决如何把可能性变为现实,工艺路线、 流程设计设备选型的依据,形成于十九世纪中后期物理化学宏观体系理论中人物：盖斯(Hess)、克劳修斯(Clausius) 、开尔文(Kelvin)、吉布斯(Gibbs)、范德华(van der
5、 Waals)、范德霍夫(vant Hoff)、阿累尼乌斯(Arrhenius)。二十世纪初物理化学的近代，进入微观领域。随着各种微观粒子及原子能的发现，促进原子核化学、反应动力学及催化动力学的发展。,物理化学的发展与前景,绪 论,指导开发新材料、新技术、新工艺化学热力学从平衡态热力学向非平衡态热力学发展，研究不可逆过程热力学。对生物学、气象学及天体物理等领域具重要意义；化学动力学进入微观快速反应的研究分子动力学。运用分子束技术、激光技术等实验手段，用量子力学理论研究具有确定初始能态的微观粒子，在基元过程中发生能量传递和跃激等的规律。,物理化学的发展与前景,绪 论,国际标准化组织(ISO)、国
6、际法制计量组织(OIML) 的定义：量(quantity)：对现象、物体或物质的可以定性区别和可以定量确定的一种属性。,物理方程式的三种形式：量方程式、数值方程式、单位方程式,标量的数值：,掌握： 怎样正确表示物理量? 物理量取对数时，其单位如何处理？ 物理量的正确计算及计算式的正确表示。,物理化学中的量与单位自学,绪 论,物理化学课程特点和学习建议 理论性强：物理学理论（热学）、高等数学手段（微积分）； 三多一严：概念多、符号多、公式多；推导所得公式条件严； 逻辑性强：特殊一般、理想真实、宏观微观； 学习方法： 复习简单微积分概念、公式，偏微分概念； 掌握思想方法，善于总结归纳常用手段和规律
7、；掌握理想化模型、平衡态特点；理论课与实验有机结合；预习、课堂笔记、思考题、习题有机结合；,绪 论,重点学习内容（按教材）：第一章 气体 第二章 热力学第一定律 第三章 热力学第二定律 第四章 多组分系统热力学 第五章 化学平衡 第六章 相平衡 第七章 电化学 第十章 界面现象 第十一章 化学动力学,绪 论,参考书 物理化学 南京大学课程安排 学时：64,绪 论,第一章 气体的pVT性质,基本要求：1.理解和会用理想气体状态方程（包括混合物）2.理解范德华方程3.理解饱和蒸气压、临界状态、临界参数、 的概念,（兰纳德.琼斯）,讨论： 1)当两个分子相距较远时， 它们之间几乎没有相互作用； 2)
8、当r=r0时，吸引作用达最大； 3)当rr0时，即两分子进一步 靠近时，则排斥作用很快上升！ 气体：分子间距大，易压缩！ 液体、固体：难于压缩！,（2） 理想气体模型a)分子间无相互作用力 b) 分子本身不占体积（把分子当成质点） （低压气体）p0 理想气体,通常：在较低压力(低于几千个kPa压力)下，气体可作为理想气体处理。,适用条件：低压气体 p Tc , 类似气体双曲线，不能液化,2) T=Tc , 水平段为C点-临界点 pC 、 VC、TC-临界参数,临界点特点 : a）Vm(g)=Vm(l), g= l ,乳浊状b ) 一阶、二阶导数为0,C为可液化的最高温度,1.4 真实气体状态方
9、程,1. 真实气体的 pVmp图及波义尔温度,温度相同时，不同气体的pVmp曲线有三种类型.,图1.4.1 气体在不同温度下的 pVmp 图,T TB : p ， pVm T = TB : p , pVm开始不变 然后增加 T 0，p（理）p,2) 分子本身占有体积 1 mol 真实气体的自由空间(Vmb)b：1 mol 分子由于自身所占体积的修正项， 气体分子本身体积的4倍,将修正后的压力和体积项引入理想气体状态方程：,a/Vm2_内压力 b _ 排除体积,p 0 , Vm , 这时，范德华方程 理想气体状态方程,对其进行一阶、二阶求导，并令其导数为0，有：,T ，极大，极小逐渐靠拢； TT
10、c，极大、极小合并成拐点C； S型曲线两端有过饱和蒸气和过热液体的含义。,用范德华方程计算，在已知T，p，以及a和b 求Vm时，需解一元三次方程Vm3-(b+RT/p)Vm2+(a/p)Vm-ab/p =0,T Tc 时，Vm有 一个实根，两个虚根，虚根无意义；,1.5 普适化压缩因子,1. 压缩因子引入压缩因子来修正理想气体状态方程，描述实际气体的 pVT 性质：pV = ZnRT 或 pVm = ZRT,压缩因子的定义为：,Z 的量纲为1,真实气体最简单的状态方程,第二章 热力学第一定律,化学热力学研究的是化学变化，包括相变化和p、V、T变化过程中，物质数量和能量的变化规律。以人类长期实践
11、所总结的两个基本定律为基础。,热力学第一定律：指出了各过程能量转换的准则；热力学第二定律：指出一定条件下自发变化的方向和限度。,第二章 热力学第一定律,2-1 热力学的基本概念2-2 热力学第一定律2-3 恒容热、恒压热及焓2-4 热容及热的计算2-5 理想气体可逆膨胀压缩过程2-6 相变化过程2-7 化学反应,学习要求及重点：理解热力学基本概念；理解热力学第一定律表达式及热力学能、焓的定义；掌握在物质的单纯P、V、T 变化、相变化和化学变化过程中，运用热力学数据计算系统热力学能变、焓变、以及热和体积功的方法。,第二章 热力学第一定律,2-1 一些热力学的基本概念,一、系统与环境 系统(system, “sy”) ：作为某热力学问题研究对象的部分； 环境(surroundings, “su”) ：与系统相关的周围部分；,按系统与环境交换内容分为：敞开系统(open system) 封闭系统(closed system)隔离系统(isolated system),一、系统与环境 二、状态和状态函数 三、过程与途径,敞开系统盖子打开,封闭系统盖子密封，但是散热,孤立系统密封以及绝热性能很好,系统与环境有能量与物质交换,系统与环境有能量交换无物质交换,系统与环境无能量与物质交换,
