物理化学(2)市公开课获奖课件

1、 物理化学()(PHYSIVAL CHAMISTRY) （1）第1页第1页 .绪论1、什麽是物理化学 物理化学是从物质物理现象和化学现象联系入手来探求化学改变及相关物理改变基本规律一门科学 -付献彩-第2页第2页 Physical chemistry is the branch of chemistry that establishes and develops the principles of the subjects. Its concepts are used to explain and interpret observations on the physical and chemi

2、cal properties of matter. Physical chemistry is also essential fordeveloping and interpreting the modern techniques used to determine the structure and properties of matter, such as new synthetic materials and biological macromolecules. -Atkins-第3页第3页 物理化学是研究化学学科中原理和办法,研究化学体系行为最普通规律和理论学科,是化学理论基础。 -自

3、然科学学科发展战略调研汇报- 以物理原理和试验技术为基础，研究化学体系性质和行为，发觉并建立化学体系特殊规律学科。 -中国大百科全书（唐有棋）-第4页第4页2、物理化学研究内容：(1) 化学反应方向、程度和能量效应 - 化学体系平衡性质 (2) 化学反应速率和反应机理- 化学体系动态性质 (3) 化学体系微观结构和性质第5页第5页化学热力学统计力学结构化学与量子化学化学动力学第6页第6页化学热力学化学动力学与分子反应动态学结构化学与分子谱学理论化学（化学统计力学、分子工程学、非线性物理化学）其它分支学科还包括：电化学、表面及胶体化学、光化学等将物理化学原理应用于不同体系，则产生了物理有机化学、

4、生物物理化学、冶金物理化学等等。第7页第7页3、物理化学建立与发展第一阶段：1887 - 1920 s化学平衡和化学反应速率唯象规律建立19世纪中叶：热力学第一定律和热力学第二定律 提出1850： Wilhelmy 第一次定量测定反应速率1879： 质量作用定律建立1889： Arrhenius 公式建立和活化能概念提出1887： 德文“物理化学”杂志创刊1906 - 1912： Nernst热定理和热力学第三定律 建立第8页第8页第二阶段：1920 s - 1960 s：结构化学和量子化学蓬勃发展和化学改变规律微观摸索1926 量子力学建立1927 求解氢分子薛定谔方程1931 价键理论建立

5、1932 分子轨道理论建立1935 共振理论建立1918 提出双分子反应碰撞理论1935 建立过渡态理论1930 提出链反应动力学理论第9页第9页第三阶段：1960 s - ：由于激光技术和计算机技术发展，物理化学各领域向更深度和广度发展当前前沿领域：分子动态学表面与界面物理化学非平衡非线性化学分子设计与分子工程学宏观 微观静态 动态体相 表相平衡态 非平衡态第10页第10页4、物理化学学科战略地位 (1) 物理化学是化学科学理论基础 及主要构成学科(2) 物理化学极大地扩充了化学研究 领域 (3) 物理化学增进相关学科发展 (4) 物理化学与国计民生密切相关(5) 物理化学是培养化学人才必需

6、第11页第11页5、如何学好物理化学注重概念、进一步思考、及时总结、联系实际第12页第12页6、相关课程几点详细要求： （1）教材和参考书： 教材： 物理化学 朱文涛编 Physical Chemistry (sixth edition) Atkins 推荐参考书 物理化学 傅献彩等编（南京大学) 物理化学 胡英主编（华东理工大学） Physical Chemistry Moore 物理化学习题解答（上、下册） 王文清等编（北大） 第13页第13页 （2）作业：中、英文习题，每七天交一次 （3）答疑：每七天一次 时间：每七天五晚7:30 9:00 地点：化学馆226 能够通过网上答疑 E-ma

7、il 地址：xfy-（4）讨论课：每章内容讲完之后，有一 次讨论课（事先做好复习）第14页第14页（7）测验和期末考试： 每章习题课后，有一次一小时左右 相关本章内容测验（开卷） （共四次） 期末考试（综合内容）（半开卷） 自第三次测验起，试题用英文（8）成绩评估： 作业：10% 测验：12.5%4 = 50% 期末考试：40%第15页第15页 第一章 气体性质 （properties of gases）1-1 抱负气体（Ideal gas or perfect gas） 1. 抱负气体状态方程（State equation of ideal gas) 第16页第16页2、分压和道尔顿分压定律

8、 （Partial pressure and Doltons law of partial pressure)Define: 在气体混合物中 pB : 气体B分压 p： 混合气体总压xB: 气体B在混合气中摩尔分数此定义既适合用于抱负气体也适合用于实际气体第17页第17页 在抱负气体混合物中，某一组分B分压即为该气体在与混合气同样温度下，单独占有混合气总体积时压力A(g) +B(g)T,V,p,xBB(g)T ,V ,pB3、 抱负气体微观模型第18页第18页2-2 实际气体（Real gas)1、实际气体状态方程（1）van der Waals equation(2) R - K equat

9、ion (Redlich and kwong)第19页第19页(3) Virial equationBi : virial coefficient第20页第20页2、 压缩因子和对比状态原理p1（1） 压缩因子（Compression factor)Define:T1T2T3第21页第21页（2） 临界状态与临界参数（Critical state and critical parameters)pVmpcTccT1T2T3p2p1第22页第22页临界压缩因子(critical compression factor )物质 He Ar N2 O2 CO CO2 CH4 zc 0.299 0.29

10、1 0.289 0.294 0.288 0.274 0.289 第23页第23页3、对比状态原理 Define : Tr= T/Tc reduced temperature pr= p/pc reduced pressure Vr= V/Vc reduced volumeVan der Waals 对比方程：第24页第24页对比状态原理（The principle of corresponding states) 任何气体只要两个对比参数相同，则第三个对比参数也必定相同，此时称它们处于相同对比状态。 处于相同对比状态下气体含有相近热力学性质第25页第25页压缩因子图第26页第26页注意：(a)

11、 对比状态原理是近似经验定律(b) 将对比状态原理用于H2 和He 时第27页第27页第二章 热力学第一定律 （The first law of thermodynamics)2-1 热力学概述 （Introduction of thermodynamics)1. 热力学研究内容（1）平衡热力学（典型热力学）（2）非平衡热力学第28页第28页2. 平衡热力学特点（1）研究对象：大量粒子构成宏观体系 （热力学结论不适合用于微观体系 中单独粒子或少许粒子行为）（2）研究办法：在经验定律基础上，通过演绎办法，得出普通性规律。（高度普适性和可靠性）（3）只考虑过程初、末态，不考虑过程细节。（知其然，不

12、知其因此然）第29页第29页2-2. 热力学基本概念 （Basic concepts of thermodynamics)1. 系统与环境 （system and surroundings)敞开（开放）系统（Open system）封闭（密闭）系统（Closed system） 隔离（孤立）系统（Isolated system） 第30页第30页2. 热力学平衡状态 （equilibrium state of thermodynamics) 假如处于一定环境条件下系统,其所有性质均不随时间而改变;并且当此系统与环境隔离后,也不会引起系统任何性质变化,则称该系统处于热力学平衡状态.第31页第31

13、页H2O(l)1000CH2O(g)1000C,101.325kPa恒温热源(100oC)H2O(l)1000CH2O(g)1000C,101,325kPa绝热壁热力学平衡状态第32页第32页T1airT2TT1T2air (T)绝热壁恒温热源稳态（stable state)非平衡态第33页第33页处于热力学平衡系统必须同时满足下列平衡：（1）热平衡（thermal equilibrium): 假如没有绝热壁存在，系统内各部分之间以及系统与环境之间没有温度差别热力学第零定律 假如系统A与系统B成热平衡，系统B与系统C成热平衡，则系统A与系统C也必定成热平衡。第34页第34页（2）力平衡（mec

14、hanical equilibrium) 假如没有刚性壁存在，系统各部分之间，系统与环境之间没有不平衡力存在 在不考虑重力场与其它外场作用情况下，系统内部处处压力相等第35页第35页（3）相平衡（phase equilibrium)相（phase) 系统内物理性质及化学性质完全均匀一部分称为一相。H2O(l)糖水糖水糖 均相系统（homogeneous system)多（复、非均）相系统heterogeneous system 第36页第36页相平衡 若在一个多相系统中，各相构成及数量均不随时间而改变，则称该系统处于相平衡（4）化学平衡（chemical equilibrium) 若系统中各物

15、质之间存在化学反应，当系统构成不随时间而改变时，系统处于化学平衡。第37页第37页热力学平衡热平衡力平衡 相平衡物质平衡 化学平衡第38页第38页3. 状态函数（ state functions)(1) 定义： 描述（拟定）系统状态系统各宏观物理性质（如温度、压力、体积等）称为系统热力学性质，又称为状态函数。（2）分类：广度（广延、容量）性质（extensive property)强度性质（intensive property)第39页第39页(a) 广度性质含有部分加和性，强度性质无部分加和性。V总= V1 + V2 (b) 广度性质是系统所含物质量一次齐函数，强度性质是零次齐函数。P1,V

16、1 p2,V2 P总p1+ p2第40页第40页（c）两个广度性质相除，所得为强度性质（3）性质：(a) 一个系统状态函数之间是彼此关联 一个构成不变均相体系，只需两个强度性质即可拟定系统所有强度性质。 (b) 状态函数是状态单值函数状态函数值与系统历史无关；当系统由一个状态改变到另一个状态时，状态函数增量只取决于系统初、末态，而与详细改变路径无关。第41页第41页状态函数增量可用全微分表示。3. 过程与路径（process and path)等温过程(isothermal process) T1= T2= T环等压过程(isobaric process) p1 = p2 = p外等容过程(i

17、sochoric process)绝热过程(adiabatic process)循环过程(cycle process)第42页第42页5. 热(量) (heat)(1) 定义:系统和环境之间由于温度差别而互换(传递)能量。(2) 符号：吸热为正，放热为负。 (3) 热与过程相关， 不是状态函数。 (4) 热本质：是系统内部粒子无序运动反应。第43页第43页6. 功（work)(1) 定义：除热之外，在系统与环境之间以一切其它方式传递能量。 (2) 符号：本书要求，系统做功为正，环 境做功为负(3) 功与过程相关，不是状态函数(4) 功微观本质：系统以有序方式传递 能量第44页第44页(5) 体

18、积功（膨胀功）： 当系统体积改变时，系统对抗环境 压力所作功。VP外第45页第45页2-3 热力学第一定律 The first law of thermodynamics1. 能量转化与守恒定律2. 内能（internal energy) 热力学能（thermodynamic energy )(1) 内能是构成体系所有粒子各种运动 和互相作用能量总和。(2) 内能是系统状态函数，是广延性质对构成不变均相系统第46页第46页(3) 内能绝对值尚无法拟定。3. 封闭系统热力学第一定律数学表示式（宏观静止、无外场作用封闭系统）对微小改变过程：第47页第47页2-4 体积功与可逆过程 (Volume work and reversible process)1.体积功考虑下述抱负气体等温过程体积功第48页第48页P1= 4 kPaV1= 6 m3P2=1 kPaV2= 24 m3抱负气体等温膨胀过程第49页第49页(1) 恒外压膨胀:P外= 常数 一次膨胀 二次膨胀 三次膨胀w/kJ 18 24 26(2) p = p外- dp第50页第50页准静态过程 进行足够缓慢,以至于系统连续通过每一个中间态都可近似地当作平衡态过程。压缩过程功：