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1、20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录第二章物理化学电子教案热力学第一定律、热化学The first law of Themodynamics20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录本章学习要求1.准确理解体系、环境、过程、状态函数、 热、功、内能、焓等基本概念。2.掌握热力学第一定律及有关计算。3.掌握化学反应热效应的各种计算方法及 不同温度下热效应的计算方法。20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录2.1 概述一、热力学的内容和应用一、热力学的内容和应用一、热力学的内容和应用一、热力学的内容和应用研究对象：研究对象：研究对象：研究对象：大量质点所组成的
2、大量质点所组成的宏观体系宏观体系，达热力学平衡态。，达热力学平衡态。 化学热力学：化学热力学：化学热力学：化学热力学：建立在热力学第一、二定律的基础上，研究热和其建立在热力学第一、二定律的基础上，研究热和其 他形式能量（功、内能、焓）之间的转化关系，如：研究他形式能量（功、内能、焓）之间的转化关系，如：研究化学反应的热效应，判定反应进行的方向和限度，研究化化学反应的热效应，判定反应进行的方向和限度，研究化学平衡和相平衡等。学平衡和相平衡等。应用：应用：应用：应用： 1）化工生产中的能量衡算问题）化工生产中的能量衡算问题 2）设计新的反应路线或试制新的化学产品时，变化的）设计新的反应路线或试制新
3、的化学产品时，变化的方向和限度问题尤为重要，如：发展方向和限度问题尤为重要，如：发展C1C1化学；模拟化学；模拟生物固氮生物固氮生物固氮生物固氮；石墨转化为金刚石等。石墨转化为金刚石等。 20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录二、热力学基本概念环境环境：与研究对象有相互：与研究对象有相互联系的外界，这种联系联系的外界，这种联系指物质和能量的交换。指物质和能量的交换。2.1 概述1.1.体系与环境体系与环境(1)(1)定义定义: :体系体系：指被人们选作研究：指被人们选作研究的对象。的对象。20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录敞开体系（敞开体系（open open
4、systemsystem）：）：和环境既和环境既有物质交换又有能量有物质交换又有能量交换的体系。交换的体系。2.1 概述（2 2）体系的分类）体系的分类20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录封闭体系封闭体系( (closed systemclosed system) )和环境有能量交换而无和环境有能量交换而无物质交换的体系。物质交换的体系。2.1 概述20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录 孤立体系孤立体系( ( isolated system )isolated system )和环境既无物质交换，又无能量交换的体系。有时和环境既无物质交换，又无能量交换的体系。有
5、时把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立体系来考虑。体系来考虑。2.1 概述20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录2.2.过程和途径过程和途径 体系状态所发生的任何变化称为体系状态所发生的任何变化称为过程过程，实现这一变，实现这一变化的具体步骤称为化的具体步骤称为途径途径。 2.1 概述20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录几个重要的过程几个重要的过程2.1 概述a)a) 等温过程：等温过程：b)b) 等压过程：等压过程：c)c) 等容过程：等容过程：d)d) 等温等压过程：等温等压过程：a a，b b二者都具备。二者都
6、具备。e)e) 绝热过程：绝热过程：体系和环境间没有热量交换的过程。体系和环境间没有热量交换的过程。f) f) 循环过程：循环过程：体系由一始态出发，经一系列变化又回到体系由一始态出发，经一系列变化又回到 原来的状态。原来的状态。20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录 3.3.3.3.状态性质状态性质状态性质状态性质 state propertiesstate properties两者的关系两者的关系: : 2.1 概述广度性质（广度性质（广度性质（广度性质（Extensive propertiesExtensive propertiesExtensive propertiesE
7、xtensive properties）：）：）：）：数值与体系的物质的数值与体系的物质的 量成正比，具有加和性，如体积、质量等。量成正比，具有加和性，如体积、质量等。强度性质强度性质强度性质强度性质(Intensive properties)(Intensive properties)(Intensive properties)(Intensive properties)：数值取决于体系自身的数值取决于体系自身的 特点，不具加和性，如温度、压力等。特点，不具加和性，如温度、压力等。a)a)广度性质广度性质 物质的量物质的量 = = 强度性质强度性质, ,如如: :b) b) 容量性质容量性质
8、容量性质容量性质 = = 强度性质强度性质, ,如如: :c)c)容量性质容量性质 强度性质强度性质 = = 容量性质。容量性质。20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录1616字口诀：字口诀：字口诀：字口诀： 异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。4.4.状态及状态函数状态及状态函数状态及状态函数状态及状态函数 state & state furction state & state furction2.1 概述状态状态state: state: 是指体系处于
9、热力学平衡态是指体系处于热力学平衡态, ,是体系所有宏观性是体系所有宏观性 质的综合表现。质的综合表现。状态函数状态函数state furctionstate furction：当体系的状态确定后，各宏观性质当体系的状态确定后，各宏观性质 有确定的值。体系的各种宏观性质称为状态函数。有确定的值。体系的各种宏观性质称为状态函数。状态函数的特征：状态函数的特征： 其变化量其变化量只只跟跟体系的始终态体系的始终态有关，而与变化的有关，而与变化的具体途径具体途径无关无关 单值，连续，可微。单值，连续，可微。20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录5. 5.热力学平衡态（即定态）热力学平衡态
10、（即定态）热力学平衡态（即定态）热力学平衡态（即定态）热热热热平衡（平衡（thermal equilibrium）: T1 = T2 = =T 力学力学力学力学平衡（平衡（mechanical equilibrium）: p1 = p2 = = p 相相相相平衡（平衡（phase equilibrium）：物质在各相间的分布达到平衡，）：物质在各相间的分布达到平衡，各相的组成和数量不随时间而变。各相的组成和数量不随时间而变。化学化学化学化学平衡（平衡（chemical equilibrium ）：化学反应达到平衡，体系）：化学反应达到平衡，体系的组成不随时间而变。的组成不随时间而变。2.1 概
11、述20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录2.2 热力学第一定律（The First Law of ThermodynamicsThe First Law of Thermodynamics）一、能量守恒和转化定律一、能量守恒和转化定律 能量守恒和转化定律的发现：能量守恒和转化定律的发现： 笛卡尔笛卡尔, ,王夫之王夫之 运动不灭原理运动不灭原理 惠更斯惠更斯, ,莱布尼茨莱布尼茨, ,伯努利伯努利 机械能相互转化中能量守恒机械能相互转化中能量守恒 萨迪卡诺萨迪卡诺 热功关系热功关系 盖斯盖斯 化学能与热能转化中能量化学能与热能转化中能量 焦耳焦耳 热功当量热功当量 能量守恒和转化
12、定律的表述：能量守恒和转化定律的表述：自然界的一切物质都具有能量，能量自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转化为另一种形式，在转化中能量有各种不同的形式，能够从一种形式转化为另一种形式，在转化中能量的总值不变。简而言之：的总值不变。简而言之：能量既不能创造也不能消灭。能量既不能创造也不能消灭。20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录1 1. . 概念：概念：是组成体系的所有质点的能量的总和，其中有分子的动能、是组成体系的所有质点的能量的总和，其中有分子的动能、 转转 动能、振动能、分子间位能、电子运动能、原子核内的能量等。动能、振动能、分子间位能、电子运
13、动能、原子核内的能量等。UUtUrUvUeUnV符号：符号：U 单位：单位：J2. U的绝对值无法确定的绝对值无法确定:无法将体系所有形式的能量都测量或计算出来。无法将体系所有形式的能量都测量或计算出来。 3. U是状态函数，是状态函数，只与体系的始终态有关，与变化途径无关。证明如下：只与体系的始终态有关，与变化途径无关。证明如下： 二、内能（二、内能（二、内能（二、内能（internal energyinternal energyinternal energyinternal energy）：）：）：）：AB途径1途径2U1U22.2 热力学第一定律假设体系由状态假设体系由状态A变到状态变到
14、状态B有两条途径有两条途径1和和2， 其内能变化分别为其内能变化分别为 U2和和 U1 ，根据根据 能量守恒定律：能量守恒定律： U1 = U2 若二者不等，如若二者不等，如 U1 U2 则体系经途径则体系经途径1 1从从A A到到B B，再经途，再经途 径径2 2变回变回A A，完成一循环，其，完成一循环，其总能量变化总能量变化为：为： U = U1 U2 0 这样体系完全复原，而环境却凭空得到能量。这样体系完全复原，而环境却凭空得到能量。违背能量守恒定律。违背能量守恒定律。20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录6.6.6.6.当体系和环境之间发生能量传递时，内能可以转化为其它
15、形式的能量当体系和环境之间发生能量传递时，内能可以转化为其它形式的能量当体系和环境之间发生能量传递时，内能可以转化为其它形式的能量当体系和环境之间发生能量传递时，内能可以转化为其它形式的能量, , , ,实实实实践证明，践证明，践证明，践证明，转化的基本形式转化的基本形式转化的基本形式转化的基本形式有两种：有两种：有两种：有两种：作功和传热。作功和传热。作功和传热。作功和传热。Uf（T，V）2.2 热力学第一定律4.4.内能是内能是容量性质容量性质的状态函数，单值，可微。的状态函数，单值，可微。5.5.单组分封闭体系：单组分封闭体系：有两个独立变量，有两个独立变量， Uf（T，V）, Uf（T
16、，P）, Uf（P，V）,如：如：20Jul-24 23:59上一内容下一内容回主目录热热功功体系与环境之间因温体系与环境之间因温度不同而传递的能量。度不同而传递的能量。除热以外，体系与环境间另除热以外，体系与环境间另一种能量传递形式。一种能量传递形式。符号：符号：Q QWW单位：单位：J JJ J正负号取法：正负号取法：体系体系放热放热，Q 0Q 0Q 0体系体系做功做功，W 0W 0体系体系得功得功，W 0W W绝可绝可绝热消耗内能做功，等温吸热做功不耗内能绝热消耗内能做功，等温吸热做功不耗内能20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.5 热力学第一定律对理想气体的应用物理量
17、物理量 W W Q Q U U T T向真向真空膨空膨胀胀等温过程等温过程0 00 00 00 0绝热过程绝热过程0 00 00 00 0反抗恒反抗恒外压膨外压膨胀胀等温过程等温过程p pe e V Vp pe e V V0 00 0绝热过程绝热过程p pe e V V0 0- p- pe e V V - p - pe e V/ V/ C CV V可逆可逆膨胀膨胀等温过程等温过程0 00 0绝热过程绝热过程 - C - CV V T T0 0C CV V T T理想气体等温和绝热过程的比较:20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.5 热力学第一定律对理想气体的应用六、卡诺循环（
18、六、卡诺循环（六、卡诺循环（六、卡诺循环（Carnot cycleCarnot cycle）1824 1824 年年年年过程过程过程过程1 1：等温（：等温（：等温（：等温（T T2 2）可逆膨胀）可逆膨胀）可逆膨胀）可逆膨胀 A（p1V1T2） B（p2V2T2） U1 = 0过程过程过程过程2 2：绝热可逆膨胀：绝热可逆膨胀：绝热可逆膨胀：绝热可逆膨胀 B（p2V2T2） C（p3V3T1）Q = 0 U2 = -W2 = CV ( T1 T2 )过程过程过程过程3 3：等温（：等温（：等温（：等温（T T1 1）可逆压缩）可逆压缩）可逆压缩）可逆压缩 C（p3V3T1） D（p4V4T1
19、） U3 = 020Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.5 热力学第一定律对理想气体的应用过程过程过程过程4 4：绝热可逆压缩：绝热可逆压缩：绝热可逆压缩：绝热可逆压缩 D（p4V4T1） A（p1V1T2）Q = 0 U4 = -W4 = CV ( T2 T1 )整个循环：整个循环：整个循环：整个循环： U = 0Q = Q1 + Q2W = W1 + W2 + W3 + W4根据绝热过程方程式：根据绝热过程方程式：根据绝热过程方程式：根据绝热过程方程式：20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.5 热力学第一定律对理想气体的应用热机效率：热机效率：热机效率：热
20、机效率：说明：说明：说明：说明：（1）卡诺机的工作效率与气体（称为工质，工作物质）的性质无）卡诺机的工作效率与气体（称为工质，工作物质）的性质无关，仅决定于两热源的温度。关，仅决定于两热源的温度。高压过热蒸汽高压过热蒸汽T2550，特殊冷凝器，特殊冷凝器T110（2）卡诺循环是热力学中的基本循环，虽不能实现，但很有用）卡诺循环是热力学中的基本循环，虽不能实现，但很有用（3）致冷效率致冷效率致冷效率致冷效率20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.6 热化学一、反应进度一、反应进度一、反应进度一、反应进度 （extent of reactionextent of reaction）
21、化学计量方程：化学计量方程：化学计量方程：化学计量方程：量纲：量纲：量纲：量纲：mol 状态函数状态函数状态函数状态函数 化学计量系数化学计量系数化学计量系数化学计量系数 引入引入引入引入 优点：优点：优点：优点：可在任一时刻用任一反应物或任一产物来表示反应可在任一时刻用任一反应物或任一产物来表示反应进行的程度，所得值总是相等，即进行的程度，所得值总是相等，即20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.6 热化学注意：注意：注意：注意： 的数值与方程式的写法有关。的数值与方程式的写法有关。的数值与方程式的写法有关。的数值与方程式的写法有关。二、化学反应的热效应二、化学反应的热效应二
22、、化学反应的热效应二、化学反应的热效应1 1定义：定义：定义：定义：在在不做其它功不做其它功，等温变化等温变化时，化学反应中体系所吸收时，化学反应中体系所吸收或放出的热。或放出的热。 QV U Qp H 2 2Q Qp p与与与与Q QV V的关系的关系的关系的关系 气态物质的气态物质的化学计量系化学计量系数之和数之和3 3反应热的测定：反应热的测定：反应热的测定：反应热的测定：氧弹量热计氧弹量热计20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.6 热化学三、热化学方程式：三、热化学方程式：三、热化学方程式：三、热化学方程式：表示化学反应与热效应关系的方程式表示化学反应与热效应关系的方
23、程式表示化学反应与热效应关系的方程式表示化学反应与热效应关系的方程式1 1书写书写书写书写（1）注明聚集状态）注明聚集状态: s (晶型晶型) 、 l (溶液：溶剂，浓度溶液：溶剂，浓度)、 g（2）注明温度、压力条件）注明温度、压力条件: 298.15K p 101325Pa（3）热效应）热效应 2 2标准态标准态标准态标准态（1）压力）压力p （2）纯物质）纯物质s和和l（T、 p ） 每个每个T对应一个标准态对应一个标准态 g （T、 p 时的时的ig.） 假想态假想态标准摩尔焓变标准摩尔焓变标准摩尔焓变标准摩尔焓变（ ）：参加反应能的各物质都处于标准态）：参加反应能的各物质都处于标准态
24、时反应的摩尔焓变。时反应的摩尔焓变。20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.6 热化学如：如：如：如：3. 3. 说明说明说明说明 （1） 1mol时，时，完全反应完全反应的热效应的热效应（2）产物和反应物）产物和反应物没有发生混合没有发生混合的热效应的热效应 （3）正反应与逆反应的热效应数值相等，符号相反）正反应与逆反应的热效应数值相等，符号相反（4）反应热的数值与方程式的写法有关，随化学计量系数的变化）反应热的数值与方程式的写法有关，随化学计量系数的变化 比例而变化比例而变化20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.7 赫斯定律（Hesss law）一、内容：
25、一、内容：一、内容：一、内容：热效应总值一定定律。一个反应若可分为几步进行热效应总值一定定律。一个反应若可分为几步进行热效应总值一定定律。一个反应若可分为几步进行热效应总值一定定律。一个反应若可分为几步进行, , 则各分步反应热效应的总和，与一步完成这个反应的热效则各分步反应热效应的总和，与一步完成这个反应的热效则各分步反应热效应的总和，与一步完成这个反应的热效则各分步反应热效应的总和，与一步完成这个反应的热效 应相同。即热效应与变化途径无关，只与始态和终态有关。应相同。即热效应与变化途径无关，只与始态和终态有关。应相同。即热效应与变化途径无关，只与始态和终态有关。应相同。即热效应与变化途径无
26、关，只与始态和终态有关。二、意义二、意义二、意义二、意义: :赫斯定律奠定了热化学的基础。赫斯定律奠定了热化学的基础。利用容易测定的反应热来计算不容易测定的反应热。利用容易测定的反应热来计算不容易测定的反应热。三、运用三、运用三、运用三、运用: :解解解解: : 代数运算法代数运算法代数运算法代数运算法（3）（）（1）（）（2）20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.8 热效应的计算 一、标准生成焓（一、标准生成焓（一、标准生成焓（一、标准生成焓（standard molar enthalpy of formationstandard molar enthalpy of for
27、mation）1 1定义：定义：定义：定义：在在T、p 下，由下，由最稳定单质最稳定单质生成标准状态下生成标准状态下1mol物质的物质的反应热叫做该物质的反应热叫做该物质的标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓。符号：符号：单位：单位：kJ mol-12 2说明：说明：说明：说明： （1）相对焓）相对焓 （2）最稳定单质：）最稳定单质： 3 3反应热的计算：反应热的计算：反应热的计算：反应热的计算：2AEC3DP544附录附录4 20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.8 热效应的计算二、标准燃烧焓（二、标准燃烧焓（二、标准燃烧焓（二、标准燃烧焓（Standard molar entha
28、lpy of combustionStandard molar enthalpy of combustion）1 1定义：定义：定义：定义：1mol物质在物质在p 时完全燃烧所放出的热量时完全燃烧所放出的热量符号：符号：单位：单位：kJkJ molmol-1-12. 2. 说明说明说明说明: : a. 燃烧的有机物为燃烧的有机物为1mol b. 完全氧化：完全氧化：C CO2(g) H H2O(l) S SO2(g) N N2(g) Cl HCl(aq) 金属金属 游离状态游离状态P52表表25 3. 3. 反应热的计算：反应热的计算：反应热的计算：反应热的计算：20Jul-24 00:00上
29、一内容下一内容回主目录2.8 热效应的计算 三、键焓三、键焓三、键焓三、键焓1. 1. 键能：键能：键能：键能：拆散气态化合物中某一个具体的键生成气态原子所需拆散气态化合物中某一个具体的键生成气态原子所需 要的能量要的能量键焓：键焓：键焓：键焓：键能的平均值键能的平均值四、离子生成焓四、离子生成焓四、离子生成焓四、离子生成焓规定：规定：规定：规定： 20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.9 热效应与温度的关系基尔霍夫定律 Hm(1) Hm(2) 适用条件：适用条件：适用条件：适用条件：无相变（无相变（无相变（无相变（T T1 1 T T2 2），若有相变需分段计算），若有相变需分段计算），若有相变需分段计算），若有相变需分段计算例：例：20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录2.9 热效应与温度的关系基尔霍夫定律20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录作业复习思考题： P67，118 习题： P69，2，4，5，6，7，10， 12，14，15，17. 20Jul-24 00:00上一内容下一内容回主目录部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
