物理化学热力学第一定律课件.ppt

物理化学 基础理论部分 化学与环境工程学院徐永群 化学专业必修课 推荐几本参考书 Tel绪论 一 物理化学研究的目的和内容1 物理化学的定义物理化学是从物质的物理现象和化学现象之间的相互联系入手 从而探求化学变化规律的一门科学 清华大学的定义 用物理学原理研究化学过程所具有的性质和行为的科学 二者关系 相互转化化学变化物理变化相互联系 常常伴随着物理效应 常常包含着物理过程 化学过程 化学反应伴随着物理效应 物理变化引起化学变化 举例 结论 物理现象与化学现象总是紧密地联系着的物理化学就是从这一联系入手从而找出化学变化的规律目的 可以解决实际问题 2 物理化学研究的内容 大致可概括为三个方面 1 化学系统的宏观平衡性质 2 化学系统的动态性质 3 化学体系的微观结构和性质 本课程讲 三 物理化学有什么用 电动车 单晶硅 区域熔炼 第一章热力学第一定律 系统 被研究的对象称为系统 环境 系统以外并与系统密切相关的部分称为环境 注意 系统与环境可人为地划分 以研究问题的方便为准则 系统与环境之间存在界面 真实的虚构的 1 1热力学基本概念 一 系统与环境 体系 物质和能量的交换 系统与环境之间存在相互作用 三种不同的系统 依系统与环境之间的关系 系统可分为三类 三种不同的系统 1 敞开系统 依系统与环境之间的关系 系统可分为三类 系统与环境之间既有物质的交换 又有能量的交换 开放体系 2 封闭系统 系统与环境之间无物质的交换 但有能量的交换 系统与环境之间既无物质的交换 又无能量的交换 3 孤立系统 隔离体系 但孤立体系可以构成 系统 环境 自然界中不存在绝对的孤立系统 相互作用小时 可以认为是孤立系统 构成孤立系统 例题 系统与环境的划分 具有人为性 1 系统 水 电热丝环境 电源 导线 容器 2 系统 水环境 电源 导线 容器 电热丝 研究通电后容器内T的变化 研究通电后水的体积的变化 二 系统的性质 性质 指事物的特性 本质 在热力学中是用系统的宏观性质对系统进行描述的 体积压力温度粘度表面张力等 如 这些都是宏观可测物理量 热力学性质可分为两大类 广度性质 容量性质 性质的数值与体系中物质的量成正比 具有加和性 强度性质 性质的数值取决于体系自身的特性 与体系中物质的量无关 不具有加和性 如 体积V 质量m 熵S等等 如 温度T 压力p 摩尔热容Cv m等等 三 系统的状态 1 系统的状态 系统中全部物理性质和化学性质的综合体现 体系一切性质的总和 各种性质一定 系统的状态就一定 任何一个性质发生了变化 系统的状态就要发生变化 2 状态方程 热力学系统各性质之间有一定的函数关系 状态方程 关系式称 例 理想气体的状态方程 p nRT V 状态函数状态参量 性质 状态方程通式 单组分均匀系统 Z f T p n 多组分均匀系统 Z f T p n1 n2 n3 部分组分的物质的量 状态方程由实验确定 热力学方法无法导出 3 状态函数的性质 定义 状态函数是状态的函数 特点 变化值仅与始 终态有关 与变化的途径无关 1 体系的状态确定后 状态函数的值便被确定 2 体系经历一过程 其状态函数的差值只取决于体系的始终两态 A P1 V1 P2 V2 B 沿途径1 从A到B沿途径2 从A到B Z1 Z2 状态函数Z的改变值相等 对状态函数的理解 4 状态函数具有全微分的性质 成立的条件 例 一定量的理性气体的状态方程 这一项对T求导 这一项对V求导 四 热力学平衡态 当系统的诸性质不随时间而变时 则系统就处于热力学平衡态 力平衡 系统处处压力相等 且与环境相等 无刚性壁存在时 热平衡 系统处处温度相等 且与环境相等 无绝热壁存在时 相平衡 系统中各相的组成和数量均不随时间而变化学平衡 系统中各物质的量不随时间而变 热力学平衡态包括以下4个平衡 例 例 说明 亚稳态在存在的一段时间内也可作平衡态系统处理 不稳定的平衡系统 无宏观量流 五 过程与途径 问题 人们没有严格区分过程与途径 常常把途径说成过程 准静态过程 准静态过程的特征 过程的推动力为无穷小量df 由一系列无限接近于平衡态的状态组成 完成任一有限量的变化 均需无限长的时间 例 汽缸内气体膨胀的过程 Gas Beaker Water Piston 准静态过程是一种理想的过程 实际并不存在严格意义上的准静态过程 在某些情况下可以近似地实现 如果该过程无摩擦力 则该准静态过程为 可逆过程 当体系发生某一过程后 如果能使体系和环境都恢复到原来的状态 而不留下任何痕迹的过程称为可逆过程 否则为不可逆过程 对可逆过程的理解 对不可逆过程的分析 理想气体向真空膨胀 P外 0 膨胀过程 W1 P0 V2 V1 0 V2 V1 0 U1 0 记住 理想气体向真空膨胀 Q1 U1 W 0 体系恢复后 复原 恢复过程 W2 nRTln V1 V2 0 U2 U1 0 状态函数的性质 Q2 U2 W2 W2