物理化学上册课件第一章 气体的pVT关系

10.1 物理化学物理化学 一门无处不在的学科一门无处不在的学科 化学是自然科学中的一门重要学科，是研究物质的组化学是自然科学中的一门重要学科，是研究物质的组成、性质与变化的科学。成、性质与变化的科学。由于化学研究的内容几乎涉及到物质科学和分子科学由于化学研究的内容几乎涉及到物质科学和分子科学的所有方面，因而近年来开始被人们称之为的所有方面，因而近年来开始被人们称之为“中心科学中心科学”。物物理理化化学学是是化化学学的的理理论论基基础础，概概括括地地说说是是用用物物理理的的原原理理和和方方法法来来研研究究化化学学中中最最基基本本的的规规律律和和理理论论，它它所所研研究究的的是是普普遍遍适适用用于于各各个个化化学学分分支支的的理理论论问问题题，所所以以物物理理化化学学曾曾被称为理论化学。被称为理论化学。绪论绪论2 物理化学形成于十九世纪下半叶，那时的资本主义在物理化学形成于十九世纪下半叶，那时的资本主义在蒸汽机的带动下驶入了快速行进的轨道，科学与技术都在蒸汽机的带动下驶入了快速行进的轨道，科学与技术都在这一时期得到了高度发展，自然科学的许多学科，包括物这一时期得到了高度发展，自然科学的许多学科，包括物理化学，都是在这一时期发展建立起来的。理化学，都是在这一时期发展建立起来的。十八世纪中叶罗蒙诺索夫首先提出十八世纪中叶罗蒙诺索夫首先提出物理化学物理化学一词；一词；1887年年 Ostwald(德德)和和 Vant Hoff(荷荷)创办创办 。从此从此“物理化学物理化学”这个名词逐渐被普遍采用。这个名词逐渐被普遍采用。3化学从一开始就与工业生产、国民经济紧密相联。化学从一开始就与工业生产、国民经济紧密相联。例如：钢铁的冶炼；例如：钢铁的冶炼；煤炭燃烧产生能量带动蒸汽机的运转。煤炭燃烧产生能量带动蒸汽机的运转。这些推动人类历史发展的重要动力都是通过化学反应来这些推动人类历史发展的重要动力都是通过化学反应来实现的。实现的。人们最关心的化学问题：人们最关心的化学问题：怎样通过化学反应来怎样通过化学反应来生产产品生产产品和和获取能量？获取能量？这正是物理化学所研究的基本问题。这正是物理化学所研究的基本问题。4经典物理化学的核心是经典物理化学的核心是化学热力学化学热力学和和化学动力学化学动力学。热力学第一定律热力学第一定律能量转化守恒的定律。能量转化守恒的定律。可用于计算化可用于计算化 学反应在特定条件下进行时，放出或学反应在特定条件下进行时，放出或吸收的能量；吸收的能量；热力学第二定律热力学第二定律过程进行方向和限度的判据。过程进行方向和限度的判据。可用于可用于计算判断化学反应进行的方向和限度，计算判断化学反应进行的方向和限度，反应的最终转化率为多少；反应的最终转化率为多少；化学动力学化学动力学研究化学反应速率的科学。研究化学反应速率的科学。揭示化学反应揭示化学反应进行的快慢，研究影响反应速度的因进行的快慢，研究影响反应速度的因素，帮助人们经济合理地利用化学反素，帮助人们经济合理地利用化学反应来生产产品或获取能量。应来生产产品或获取能量。5 物物理理化化学学从从它它被被建建立立起起就就被被广广泛泛地地用用于于工工业业生生产产和和科学研究，发挥了巨大的理论指导作用。科学研究，发挥了巨大的理论指导作用。二二次次世世界界大大战战以以后后石石油油工工业业迅迅速速发发展展，促促进进了了物物理理化化学在学在催化催化、表面化学表面化学和和电化学电化学等领域的发展和应用。等领域的发展和应用。反反过过来来，工工业业技技术术和和其其它它学学科科的的发发展展，特特别别是是电电子子技技术术及及各各种种物物理理测测试试手手段段的的出出现现，反反过过来来都都极极大大地地促促进进了了物物理化学的发展。理化学的发展。人人类类对对自自然然界界的的好好奇奇与与探探索索是是永永无无止止境境的的，人人们们从从未未满满足足过过在在宏宏观观上上对对化化学学反反应应规规律律的的认认识识，一一直直在在努努力力探探索索和和揭揭示示化化学学变变化化在在微微观观上上的的内内在在原原因因，探探知知分分子子、原原子子的的结结构构及及运运动动与与化化学学反反应应的的关关系系，这这促促成成了了物物理理化化学学的的又又一一个分支个分支结构化学结构化学与与量子力学量子力学的发展。的发展。6 量量子子力力学学的的发发展展不不仅仅使使人人们们对对微微观观世世界界的的认认识识更更加加深深入入，而而且且它它彻彻底底改改变变了了世世界界的的面面貌貌，它它比比历历史史上上任任何何一种理论都引发了更多的技术革命。一种理论都引发了更多的技术革命。核核能能、计计算算机机技技术术、新新材材料料、新新能能源源技技术术、信信息息技技术术，这些都在根本上和量子论密切相关。这些都在根本上和量子论密切相关。在在化化学学、物物理理、材材料料、生生物物、医医药药等等几几乎乎所所有有学学科科领领域域中中被被广广泛泛使使用用的的现现代代光光谱谱、能能谱谱等等尖尖端端分分析析技技术术，其其理理论论基基础础都都是是建建立立在在量量子子力力学学之之上上的的。人人们们在在赞赞美美仪仪器器的的精精密密和和技术的先进时，往往忘记了它来源于物理化学的巨大贡献。技术的先进时，往往忘记了它来源于物理化学的巨大贡献。有人惊呼物理化学已经成为有人惊呼物理化学已经成为“消失于无处不在的学科消失于无处不在的学科”。7 化学热力学化学热力学 （宏观的方法）（宏观的方法）量子力学量子力学 （微观的方法）（微观的方法）统计力学统计力学如何将宏观与微观世界联系起来？如何将宏观与微观世界联系起来？统计热力学从微观层次阐明了热力学、动力学的基本统计热力学从微观层次阐明了热力学、动力学的基本定律和热力学函数的本质以及化学系统的性质和行为，不定律和热力学函数的本质以及化学系统的性质和行为，不仅使人们对物质本质及化学过程的认识大大深化，并使计仅使人们对物质本质及化学过程的认识大大深化，并使计算化学有了飞跃的发展，为人们实现通过计算代替实验来算化学有了飞跃的发展，为人们实现通过计算代替实验来研究化学的梦想打下了基础、打开了大门。研究化学的梦想打下了基础、打开了大门。8化学热力学、化学动力学、量子力学、统计力学化学热力学、化学动力学、量子力学、统计力学 构成物理化学的四大基础构成物理化学的四大基础n上册上册n第一章第一章 气体的气体的pVTpVT关系关系n第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律n第三章第三章 热力学地二定律热力学地二定律n第四章第四章 多组分热力学多组分热力学n第五章第五章 化学平衡化学平衡n第六章第六章 相平衡相平衡n下册下册n第七章第七章 电化学电化学n第八章第八章 量子力学基础量子力学基础n第九章第九章 统计热力学初步统计热力学初步n第十章第十章 界面现象界面现象n第十一章第十一章 化学动力学化学动力学n第十二章第十二章 胶体化学胶体化学 9 在化学已渗透到几乎所有物质学科领域的今天，人们在化学已渗透到几乎所有物质学科领域的今天，人们几乎无时无刻不在使用着物理化学的基本原理和强有力的几乎无时无刻不在使用着物理化学的基本原理和强有力的实验方法，实验方法，物理化学已成为一门无处不在的学科，成为所物理化学已成为一门无处不在的学科，成为所有与化学有关的人们的共同语言。有与化学有关的人们的共同语言。0.2 学习物理化学的要求及方法学习物理化学的要求及方法（1）要站在学科的高度纵观物理化学的主要线条；）要站在学科的高度纵观物理化学的主要线条；（2）要认真对待每一个具体的基本概念和公式定理；）要认真对待每一个具体的基本概念和公式定理；（3）要领会物理化学解决实际问题的科学方法。）要领会物理化学解决实际问题的科学方法。100.3 物理量的表示及运算物理量的表示及运算 1)物理量物理量X包括数值和单位包括数值和单位 例：例：T 298 K p 101.325 kPa 同量纲的可用，运算同量纲的可用，运算 物理量数值物理量数值 单位单位1.物理量的表示物理量的表示(数值为没有单位的纯数数值为没有单位的纯数)2)作图列表时应用纯数作图列表时应用纯数例：以例：以 lnp 1/T 作图作图ln(p/kPa)K/T11计算时先写出量方程式，再代入数值和单位计算计算时先写出量方程式，再代入数值和单位计算 例：例：lnx，ex 中的中的 x 是物理量除以单位后的纯数是物理量除以单位后的纯数 x x/x 如：如：lnp ln(p/kPa)为简便起见，公式中有时将单位省略为简便起见，公式中有时将单位省略2.对数中的物理量对数中的物理量3.量值计算量值计算12第一章第一章 气体的气体的pVT关系关系13物质的聚集状态物质的聚集状态气体气体液体液体固体固体V 受受 T、p 的影响很大的影响很大联系联系 p、V、T 之间关系的方程称为之间关系的方程称为状态方程状态方程物理化学中主要讨论气体的状态方程物理化学中主要讨论气体的状态方程气体气体理想气体理想气体实际气体实际气体n 确定：确定：f(p,V,T)=0n不确定：不确定：f(p,V,T,n)=0对于由纯物质组成的均相流体对于由纯物质组成的均相流体 V 受受 T、p的影响较小的影响较小141.1理想气体状态方程理想气体状态方程 1.理想气体状态方程理想气体状态方程低压气体定律：低压气体定律：（1）玻义尔定律）玻义尔定律(R.Boyle，1662):pV 常数常数 （n,T 一定）一定）（2）盖）盖.吕萨克定律吕萨克定律(J.Gay-Lussac，1808)：V/T 常数常数 (n,p 一定一定)（3）阿伏加德罗定律（）阿伏加德罗定律（A.Avogadro，1811)V/n 常数常数 (T,p 一定一定)15以上三式结合以上三式结合 理想气体状态方程理想气体状态方程pV=nRT单位：单位：p Pa V m3 T K n mol R J mol-1 K-1 R 摩尔气体常数摩尔气体常数R 8.314472 J mol-1 K-1 理想气体定义：理想气体定义：服从服从 pV=nRT 的气体为理想气体的气体为理想气体或服从理想气体模型的气体为理想气体或服从理想气体模型的气体为理想气体16理想气体状态方程也可表示为：理想气体状态方程也可表示为：pVm=RT pV=(m/M)RT以此可相互计算以此可相互计算 p,V,T,n,m,M,(=m/V)例：用管道输送天然气，当输送压力为例：用管道输送天然气，当输送压力为200 kPa，温度为，温度为 25时，管时，管道内天然气的密度为多少？假设天然气可看作是纯甲烷。道内天然气的密度为多少？假设天然气可看作是纯甲烷。解：解：M甲烷甲烷 16.04103 kg mol-1172.理想气体模型理想气体模型（1）分子间力）分子间力吸引力吸引力排斥力排斥力分子相距较远时，有范德华引力；分子相距较远时，有范德华引力；分子相距较近时，电子云及核产生排斥作用。分子相距较近时，电子云及核产生排斥作用。E吸引吸引 1/r 6E排斥排斥 1/r nLennard-Jones理论：理论：n=12式中：式中：A吸引常数；吸引常数；B排斥常数排斥常数18（2）理想气体模型理想气体模型a)分子间无相互作用力；分子间无相互作用力；b)分子本身不占体积分子本身不占体积（低压气体）（低压气体）p 0 理想气体理想气体 3.摩尔气体常数摩尔气体常数 R R 是通过实验测定确定出来的是通过实验测定确定出来的例：测例：测300 K时，时，N2、He、CH4 pVm p 关系，作图关系，作图p0时：时：pVm=2494.35 J mol-1R=pVm/T=8.3145 J mol K-1在压力趋于在压力趋于0的极限条件下，各种气体的行为均服从的极限条件下，各种气体的行为均服从pVm=RT的定量关系，的定量关系，所以：所以：R 是一个对各种气体都适用的常数是一个对各种气体都适用的常数191.2 理想气体混合物理想气体混合物1.混合物的组成混合物的组成（1）摩尔分数摩尔分数 x 或或 y（量纲量纲为为1 1）显然显然 xB=1,yB=1 本书中本书中 气体