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1、物理化学物理化学绪 论什么是物理化学？物理现象化学现象物理化学用物理的理论和实验方法研究化学变化的本质与规律2024/8/24物理化学绪论0.1 0.1 物理化学课程的内容物理化学课程的内容物理化学物理化学 从研究化学现象和物理现象从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手，从而探求化学变化之间的相互联系入手，从而探求化学变化中具有普遍性的基本规律。在实验方法上中具有普遍性的基本规律。在实验方法上主要采用主要采用物理学物理学中的方法。中的方法。2024/8/24物理化学绪论化学理论最重要的作用是提供一种思维体化学理论最重要的作用是提供一种思维体制以总结更新知识。制以总结更新知识。 -若贝尔化学
2、奖获得者Hofmann 2024/8/24物理化学绪论国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/2008.10 从从单单分分子子、分分子子聚聚集集体体到到凝凝聚聚态态，从从分分子子间间弱弱相相互互作作用用到到化化学学键键形形成成，从从简简单单体体系系到到复复杂杂体体系系；借借助助物物理理化化学学手手段段和和理理论论方方法法，获获取取从从基基态态到到激激发发态态、从从稳稳态态到到瞬瞬态态的的分分子子结结构构以以及及动动态态变变化化的的信信息。息。 物物理理化化学学的的研研究究呈呈现现出出如如下下态态势势：宏宏观观与与微
3、微观观相相结结合合、体体相相与与表表（界界）面面相相结结合合、静静态态与与动动态态相相结结合合，理理论论与与实实验验相相结结合合、并并进进一步深入到对化学反应和物质结构控制的研究。一步深入到对化学反应和物质结构控制的研究。 物理化学研究内容及态势 物理化学的主要物理化学的主要理论支柱理论支柱是化学热力是化学热力学和动力学、统计力学和量子力学。学和动力学、统计力学和量子力学。热力学和动力学热力学和动力学适用于宏观系统适用于宏观系统量子力学量子力学适用于微观系统适用于微观系统统计力学统计力学则为上述二者的桥梁则为上述二者的桥梁2024/8/24物理化学绪论 研究内容研究内容：(1) 变化的方向和限
4、度问题变化的方向和限度问题 (2) 化学反应的速率和机理问题化学反应的速率和机理问题(3) 物质的性质与其结构之间的关系问题物质的性质与其结构之间的关系问题2024/8/24物理化学绪论国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/2008.10优先领域优先领域I I：基于生物技术的经济：基于生物技术的经济 (Bio-based economy)(Bio-based economy)（1）生物催化）生物催化新型和改进的酶和生物催化过程，包括筛选天然生物新型和改进的酶和生物催化过程，包括筛选天然生物多样性，目标导向的筛选技
5、术，新的筛选工具和新的具有特殊应用的生多样性，目标导向的筛选技术，新的筛选工具和新的具有特殊应用的生物催化剂；物催化剂；（2）发展下一代的高效发酵过程，包括新型或改进的微生物）发展下一代的高效发酵过程，包括新型或改进的微生物/宿体；宿体；（3）仿生加工与集成：生物炼油概念等）仿生加工与集成：生物炼油概念等。国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/2008.10优先领域优先领域IIII：能源：能源(Energy)(Energy)（1 1）可替代能源：包括更加持续、更加有效、更加便宜的液体）可替代能源：包括更加持续、更
6、加有效、更加便宜的液体 燃料产品，生物质裂解，生物柴油，生物燃燃料产品，生物质裂解，生物柴油，生物燃 气，燃料电池，风能等；气，燃料电池，风能等；（2 2）能源转化：）能源转化： 包括有效照明，绝缘保温；包括有效照明，绝缘保温；（3 3）能源储存：）能源储存： 包括电池，燃气储存，超大电容等。包括电池，燃气储存，超大电容等。 国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/2008.10优先领域优先领域IIIIII：健康（：健康（HealthcareHealthcare） 用于药物释放和治疗的材料：包括靶向药物释放，智用于
7、药物释放和治疗的材料：包括靶向药物释放，智能药物释放体系，个人化营养，诊断技术，芯片实验室或能药物释放体系，个人化营养，诊断技术，芯片实验室或快速诊断技术（探针），成像材料，可置入体内生物医用快速诊断技术（探针），成像材料，可置入体内生物医用器件等。器件等。国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/2008.10优先领域优先领域IVIV：信息与通讯技术：信息与通讯技术（Information and Communication TechnologyInformation and Communication Techn
8、ology）（1 1）应用与导入：包括在器件材料中纳米结构的集成，低）应用与导入：包括在器件材料中纳米结构的集成，低k k和高和高k k电介电介 质，用于高密度制备的高分子，用于信息通讯技术的微型电池，质，用于高密度制备的高分子，用于信息通讯技术的微型电池， 连接技术，高分子导体，印刷电极等；连接技术，高分子导体，印刷电极等；（2 2）界面工程：包括对界面的认识，对有机导体界面的认识等；）界面工程：包括对界面的认识，对有机导体界面的认识等；（3 3）自组装和图案化：包括直接与自组装模板，纳米材料用于能源管）自组装和图案化：包括直接与自组装模板，纳米材料用于能源管 理，先进图案化技术等；理，先进
9、图案化技术等；（4 4）半导体：包括碳纳米管用于集成电路；）半导体：包括碳纳米管用于集成电路；（5 5）信息储存：包括全息成像技术，基于）信息储存：包括全息成像技术，基于DNADNA和蛋白质的生物开关；和蛋白质的生物开关；（6 6）皮秒分子开关等。）皮秒分子开关等。国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/2008.10优先领域优先领域V V： 纳米技术（纳米技术（NanotechnologyNanotechnology）（1）纳米材料：包括表面化学与技术，合成与加工，认识和调控纳米）纳米材料：包括表面化学与技术，合
10、成与加工，认识和调控纳米 结构的高分子和杂化材料以及介孔杂化材料，用于纳米结构探针结构的高分子和杂化材料以及介孔杂化材料，用于纳米结构探针 的材料；的材料；（2）新型生产技术：包括集成技术（组装技术等）；）新型生产技术：包括集成技术（组装技术等）；（3）发展分析技术：包括环境、健康、安全问题，在生物组织中）发展分析技术：包括环境、健康、安全问题，在生物组织中（4）纳米材料的检测；计算材料科学：包括在计算机模拟中不同尺度）纳米材料的检测；计算材料科学：包括在计算机模拟中不同尺度 与时间尺度的桥连；与时间尺度的桥连；（5）发展大规模科学应用软件和新的用户友好的计算机工具界面等。）发展大规模科学应用
11、软件和新的用户友好的计算机工具界面等。 国家自然科学基金委员会NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINANSFC/2008.10优先领域优先领域VIVI： 可持续的生活质量可持续的生活质量（Sustainable quality of lifeSustainable quality of life）（1）家居作为自给能源发动机：包括用于房屋表面的光伏）家居作为自给能源发动机：包括用于房屋表面的光伏 达电池，高级家用电池和替代能源储存；达电池，高级家用电池和替代能源储存；（2）家居作为生态效应环境：包括通过建筑材料、涂层和）家居作为生态效应环境：包括
12、通过建筑材料、涂层和 动态动态ICT策略增强绝热性能，可再生材料生产的高分子策略增强绝热性能，可再生材料生产的高分子 用于包装、家具、家用水净化和循环使用，照明、洗用于包装、家具、家用水净化和循环使用，照明、洗 衣、供暖和垃圾处理等家务创新；衣、供暖和垃圾处理等家务创新；（3）垃圾处理，土壤和水的再修复等。）垃圾处理，土壤和水的再修复等。物理化学课程的特点物理化学课程的特点 要求较强的推理能力和逻辑思辨能力要求较强的推理能力和逻辑思辨能力对学生有较高的数学要求和演算能力对学生有较高的数学要求和演算能力基础热力学是整个物理化学的基础基础热力学是整个物理化学的基础分支化学又更多程度的体现着前沿热点
13、分支化学又更多程度的体现着前沿热点2024/8/24物理化学绪论物理化学研究中应当充分认识实验的重要性物理化学研究中应当充分认识实验的重要性物理化学学习的要点物理化学学习的要点推理与要点 演练与精要 思考与总结 预习与复习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2024/8/24物理化学绪论（1）遵循）遵循“实践实践理论理论实践实践”的认识过程，的认识过程， 分别采用归纳法和演绎法，即从众多实验事分别采用归纳法和演绎法，即从众多实验事实概括到一般，实概括到一般， 再从一般推理到个别的思维再从一般推理到个别的思维过程。过程。（2）注意逻辑推理的思维方法，注意逻辑推理的思维方法，对
14、一些重要对一些重要公式加以推导，理清理论体系的主次关系公式加以推导，理清理论体系的主次关系。2024/8/24物理化学绪论(3)(3)多做习题，学会解题方法。多做习题，学会解题方法。在做习题的在做习题的过程中加深对重要概念和公式的理解。过程中加深对重要概念和公式的理解。(4)(4)课前自学，课后复习，勤于思考，培养课前自学，课后复习，勤于思考，培养自学和独立工作的能力。自学和独立工作的能力。(5)(5)循序渐进，同一概念需要经过多次反复循序渐进，同一概念需要经过多次反复学习，才能一次比一次加深理解。学习，才能一次比一次加深理解。2024/8/24物理化学绪论对教学和教师的理解“帮助学生学会解题
15、是次要的。帮助学生学会解题是次要的。”“激发学生创造力和提高学生的逻辑激发学生创造力和提高学生的逻辑思维能力是一个教师的基本职责。思维能力是一个教师的基本职责。” -0303年北京大学教学优秀奖的颁奖发言年北京大学教学优秀奖的颁奖发言2024/8/24物理化学绪论介绍学科最新成果和应用1. 提高热电厂的效率小改大2. 发展清洁能源，减少使用矿石燃料6。燃油中掺水 3. 从高碳经济向低碳经济发展4. 三次开采石油5。莲花效应与免洗布2024/8/24物理化学绪论1796-1832Carnot NLS 法国工程师 卡诺循环高温存储器低温存储器热机1. 如何提高热电厂的效率2024/8/24物理化学
16、绪论 化学能 热能 机械能 化学能 电能 机械能 电能2024/8/24物理化学绪论 火力发电厂的能量利用 高煤耗、高污染（S、N氧化物、粉尘和热污染）2024/8/24物理化学绪论 火力发电厂的能量利用2024/8/24物理化学绪论 普通加压蒸汽的作功能力很差 要用亚临界、超临界甚至超超临界的蒸汽 改进锅炉性能，增加脱硫、脱氮和除尘的设备水的相图水冰水蒸气610.62超临界流体2024/8/24物理化学绪论 火力发电厂的改造利用2024/8/24物理化学绪论 热电厂的能量利用2024/8/24物理化学绪论 2. 发展清洁能源2024/8/24物理化学绪论燃料电池 实用燃料电池越来越普遍202
17、4/8/24物理化学绪论燃料电池 用燃料电池的大巴2024/8/24物理化学绪论燃料电池 用燃料电池的汽车标致2024/8/24物理化学绪论燃料电池 燃料电池的汽车生成的纯水2024/8/24物理化学绪论波音公司第一架氢能源飞机2024/8/24物理化学绪论Li 离子电池的工作原理负极正极锂原子石墨2024/8/24物理化学绪论 二。开发新的清洁能源 王中林的发电纤维 走路、心跳和吹过的微风都能用来发电，机械能被巧妙地转化为电能。 这种新型“发电机”选用的是生物安全材料，整个过程无排放、无污染，堪称最具潜力的“绿色发电” 可以为随身听或者为一块手机电池充电。 2024/8/24物理化学绪论 发
18、电地毯 德国人利用摩擦生电的原理发明了一种能发电的地毯，他将发电线圈随着地毯的花纹进行巧妙的编织。 当人踏在地毯上时即能发电，可作为冰箱、洗衣机及电视机等的能源，也可对蓄电池充电。 一位美国工程师也设计出一种发电地毯。将这种装置埋在大街、车站、舞厅等公共场所的地毯下，所发出的电可以用来照明和驱动电风扇。 2024/8/24物理化学绪论 高达1000米，发电容量达到200MW，足够20万户家庭使用 澳大利亚的太阳塔 热能机械能电能 2024/8/24物理化学绪论“烟囱效应” 空气被太阳辐射加热后向塔底流去，并沿着“烟囱”上升，推动塔内一组32台、每台发电容量为6.25MW的涡轮机而发电 塔底为7
19、0，塔顶为20，多余的热能积聚在存储单元中， 可以整天和整年不间断地工作2024/8/24物理化学绪论太阳能电池太阳能工厂(德国)2024/8/24物理化学绪论北京太阳能综合利用示范楼2024/8/24物理化学绪论太阳能电池2024/8/24物理化学绪论太阳能电池2024/8/24物理化学绪论太阳能电池路灯草坪灯风扇凉帽2024/8/24物理化学绪论太阳能电池染料敏感太阳能电池2024/8/24物理化学绪论太阳能电池染料敏感太阳能电池2024/8/24物理化学绪论太阳能电池染料敏感太阳能电池2024/8/24物理化学绪论太阳能、风力协同海水淡化5元/吨左右 2024/8/24物理化学绪论 3.
20、 从高碳经济向低碳经济发展2024/8/24物理化学绪论CO2的相图超临界流体2。充分利用 减少环境污染2024/8/24物理化学绪论超临界流体的性质： 1.超临界流体的临界压力和温度 压力 温度 H2O 218105 Pa 647 K CO2 73105 Pa 304 K CO2 无毒、无味、惰性、价廉，是理想的萃取剂2024/8/24物理化学绪论超临界流体的性质： 2.超临界流体的密度 (液体)= (气体) 3.超临界流体的黏度气体黏度 扩散系数是一般液体的10倍 有很强的溶解能力2024/8/24物理化学绪论超临界流体萃取的优点： 1.从天然产物中萃取中药、饮料和保健品等有效成分，保持纯
21、天然，无有机溶剂残留。 2.萃取与分离两工序合一，操作简单， CO2 可以循环使用。 3.萃取速率快，生产周期短，同时进行高压灭菌。 4.无三废，不污染环境，是绿色化工工艺。 是分离科学中有划时代意义的科学进步.2024/8/24物理化学绪论 把温室气体作为资源利用，提供价格低廉性能优异的降解材料多重意义，其生产是环境友好型的，能耗不高，基本无三废 利用CO2资源制备聚碳酸亚乙酯和降解型聚氨酯泡沫塑料聚碳酸亚乙酯聚氨酯泡沫PEC-PU样品 二氧化碳制生物降解塑料生产厂房 2024/8/24物理化学绪论 高碳经济是黑色经济3。将二氧化碳埋葬掉 低碳经济是绿色经济 所谓低碳经济指的是在发展中排放最
22、少的温室气体，同时获得整个社会最大的产出。 要从高碳经济低碳经济无碳经济2024/8/24物理化学绪论 发展低碳经济 房地产开发商要积极展开低成本、节能建筑的研发，充分考虑采光、通风等自然资源的利用，使用低成本节能建筑材料 用节能灯，空调提高1度，随手关灯，少看电视，节约用纸，少用一次性物品等等2024/8/24物理化学绪论 高达3200m，住100万人，崔悦君设计2024/8/24物理化学绪论美国华裔崔悦君自行设计的家2024/8/24物理化学绪论崔悦君的灵感来自由白蚁的巢穴和古代的传说2024/8/24物理化学绪论 迪拜太阳塔，高68层楼，利用太阳、风和水能源的刀具式零能源消耗大厦，旋转的
23、太阳盾将为绿色植物提供阳光2024/8/24物理化学绪论 在建的迪拜高塔，高650米2024/8/24物理化学绪论 迪拜旋转大厦有200个单位的公寓大楼可以旋转，并用光伏阵列来捕捉阳光的能量进行发电，一个星期将旋转306度。2024/8/24物理化学绪论 亚特兰大最环保的宝瓶星塔，一座500英尺高的公寓，采用太阳能发电板与风力进行供电，并使用风力涡轮机保持室内的空气清新 2024/8/24物理化学绪论 巴黎水上绿色环保大厦，采用太阳能光伏发电，使用风力作能源，屋顶也进行了创意的绿化，橄榄球与圆柱的设计，面积为2068平方米2024/8/24物理化学绪论 英国零能源办公大楼，建成最大的太阳能电池
24、阵列，生产足够的电力用于照明和空调等 大楼建筑面积超过7 万平方米，可容纳5000多人2024/8/24物理化学绪论 发展低碳经济 继低碳之后，人们还提出了零碳经济，届时世界将实现碳的零排放 商店里的商品标签上，不仅标有价格、原材料、产地，而且还会标明因生产这件产品而导致的二氧化碳排放量 在消费者眼里，这个指标会和价格一样重要，甚至更重要 到那时再没有烟筒，汽车也不会排放尾气，低碳经济是人们对一种生活方式的渴望和憧憬 2024/8/24物理化学绪论 美国和欧盟已拨巨款来研究在海洋和地层中埋藏二氧化碳的办法。从理论上讲，海洋和地层可以贮藏人类在几千年间生产的二氧化碳。 英国东边的国家石油公司的天
25、然气平台年来每年向咸水（海底米处的地层）中注入万吨二氧化碳。该公司将开采出的混合气体先进行分离，然后将二氧化碳注入到海底下含咸水的地层中。 在埋藏二氧化碳的最大的挑战是收集二氧化碳以及将收集到的二氧化碳运送到埋藏它的地点。 向天然气矿井注入二氧化碳以置换出天然气.3。将二氧化碳埋葬掉2024/8/24物理化学绪论4. 三次开采石油一次采油 在原油开采过程中，初次采油一般依靠地底压力让原油自喷而出 二次采油 此后，由于地下压力减小，不得不往地下注水将油驱出 当前，我国多数油田处于二次采油的晚期，每百吨采出液体中，含水量达吨 我国综合原油采收率只有多一些；也就是说，有多的石油仍然留在地下无法采出
26、2024/8/24物理化学绪论三次采油三次采油 三次采油技术就是利用物理、化学和生物等方法，把水驱难于开采的剩余油尽可能多地采出来，以提高原油采收率 一般是指往地下注入化学物质，达到采油的目的 大庆油田提出，力争用15-20年的时间，形成以化学驱为主导，门类较为齐全的三次采油、四次采油技术系列 三次采油年产油量1000万吨以上，稳产至2020年 2024/8/24物理化学绪论活性剂分子岩石表面石油三次产油原理2024/8/24物理化学绪论三次采油液氦的界面张力最低，为0.37mN/m 超低界面张力采油 在苯水界面加油酸、油醇、NaOH，NaCl等物质可以使界面张力低到忽略不计 用石油磺酸盐加在
27、采油的注水液中形成活性水，得到超低界面张力，提高采油量 大庆根据实验室模拟结果，使用该产品及其独有技术，每吨石油磺酸盐可以提高原油产量多吨；可以将高渗油藏原油采收率提高至。 2024/8/24物理化学绪论 该技术成熟可靠、工艺合理、易于操作，处于国际领先水平。 运用这一技术，我国大庆、胜利、辽河、华北等多数油田的采收率可以大幅上升，将对我国原油供给和能源安全产生积极而深远的影响。 这一技术不但可以在国内采用，也可以走出国门，去搞国外大石油公司不愿搞的油田深度开发。这不但对于保障国内石油供给意义重大，也有利于提高资源的利用效率2024/8/24物理化学绪论肥皂分子5。莲花效应与免洗布2024/8
28、/24物理化学绪论 洗涤作用 加活性剂将油污和基质润湿 增溶、从表面置换，使油污离开基质表面 乳化、起泡、带走油污，占领基质表面2024/8/24物理化学绪论 表面的防水与自洁作用莲花效应莲花效应2024/8/24物理化学绪论 表面的防水与自洁作用2024/8/24物理化学绪论 在電子顯微鏡下，蓮葉的表面具有大小約5-15微米細微突起的表皮細胞 表皮細胞上又覆盖著一层直径约1 nm的蜡质結晶。蜡质結晶本身的化学结构具有疏水性，所以当水与這类表面接触時，会形成水珠。 由于植物叶子表面的不平整的細微结构，使水与叶面的接触面积更小而接触角变大，因此加強了疏水性，同時也降低了污染顆粒对叶面的附着力。
29、表面的防水与自洁作用2024/8/24物理化学绪论疏水作用疏水作用 表面的防水与自洁作用2024/8/24物理化学绪论 表面的防水与自洁作用2024/8/24物理化学绪论 表面的防水与自洁作用 通过化学蒸镀法，将纳米丝进行地毯状组装。纳米丝，免洗布 水在这种超级不易被水沾湿的纳米丝上形成球形水滴 水滴迅速滑落，并将讨厌的灰尘粒子带走。 2024/8/24物理化学绪论 超双疏性界面 由下到上、由原子到分子、由分子到聚集体，外延生长形成纳米尺寸和几何形状互补的界面，使物体表面覆盖一层气体薄膜，起到疏水、疏油的目的。 表面的防水与自洁作用 在输油管的内壁、各种建材、包装材料、布匹等方面应用有重大意义
30、。2024/8/24物理化学绪论6。燃油中掺水水水包油 利用不同形状的胶束可以制备不同形状的纳米粒子。油油包水2024/8/24物理化学绪论反胶束 乳化与破乳2024/8/24物理化学绪论乳化的应用柴油加水乳化剂柴油乳化油包水型2024/8/24物理化学绪论柴油加水具备六大效应1。裂解增能效应，高温高压下将水裂解出比柴油能量高3.52倍的氢气参加燃烧；2。自供氧效应，裂解出的氧会起助燃作用，使燃烧更充分；3。微爆效应，水汽化时产生比自身大1700倍体积的蒸汽，会突破油膜使油再度雾化，从而更充分燃烧；4。水煤气效应，水蒸汽与未能燃烧的CO转化为CO2而大量放热；2024/8/24物理化学绪论柴油
31、加水具备六大效应5。均热效应，水汽能有效地降低汽缸体局部高温而保护机体、减少摩擦阻力，减轻结焦；6。环保效应，掺水燃烧可降低CO2和NOx等烟气的排放量30%以上。 可见，掺水燃烧有可靠的科学性。更宝贵的是在柴油中加入30的水和合成助燃剂，意味着替代了30%燃料油，从而具有巨大的节能、减排的意义。 2024/8/24物理化学绪论0.3 0.3 物理量的表示及运算物理量的表示及运算1.1.物理量的表示物理量的表示 物理量物理量A是由其单位是由其单位A和以单位和以单位A表表示的量示的量A的数值来表示的。的数值来表示的。 量的符号必须用量的符号必须用斜体斜体，下标如为物理量，下标如为物理量也用也用斜
32、体斜体，但其他说明性标记则用，但其他说明性标记则用正体正体。单。单位符号通常是用位符号通常是用小写字母小写字母，如来源于人名，如来源于人名，则则第一字母大写第一字母大写，而且用，而且用正体正体。 2024/8/24物理化学绪论2.2.对数中的物理量对数中的物理量 对数中的物理量应先除以其单位后，对数中的物理量应先除以其单位后，才能进行计算。才能进行计算。 例如：例如：2024/8/24物理化学绪论3.3.量值计算量值计算 在计算时，先列出在计算时，先列出量方程式量方程式，再将数值，再将数值和单位代入后进行计算。和单位代入后进行计算。 对于复杂运算，为了简便起见，不列出每对于复杂运算，为了简便起见，不列出每一个物理量的单位，而直接给出最后单位。一个物理量的单位，而直接给出最后单位。 例如：例如：2024/8/24物理化学绪论
