物理化学第二版第一、二章课件-PPT幻灯片

物理化学课使用的教材

参考书目1.《物理化学》肖衍繁（天津大学）2.《物理化学》傅献彩（南开大学）3.《物理化学》韩德刚（北京大学）4.《物理化学解题指导》孙德坤、沈文霞5.《物理化学概念辨析》刘士荣、杨爱云6.《物理化学习题集》武汉大学等编7.《物理化学概念辨析解题方法》范崇正

绪论0.1物理化学课程的内容0.2物理化学的研究方法0.4物理化学的学习方法0.5物理量的表示与运算0.3近代化学的发展趋势0.6关于标准压力

0.1物理化学课程的内容物理现象化学现象用物理学的理论和实验方法研究化学变化及其伴随的物理变化的本质与规律物理化学

0.1物理化学课程的内容物理化学化学热力学化学动力学结构化学两个基本定律化学平衡相平衡宏观动力学微观动力学电化学表面与胶体化学多组分系统

0.1物理化学课程的内容物理化学研究的内容:(1)化学变化的方向和限度问题(2)化学反应的速率和机理问题热力学第一定律热力学第二定律在多组分、化学平衡、相平衡中的应用三个判据温度、压力、催化剂等对速率的影响化学反应的机理，掌握反应的本质化学反应的动力学理论

0.3近代化学的发展趋势(1)介观化学发展迅速(2)表面化学越来越引起人们的重视(3)学科交叉与渗透更加普遍

0.3近代化学的发展趋势（1）介观化学发展迅速粒子膜丝管纳米宏观(宏观凝聚态)微观(原子、分子)介观(纳米材料)介观材料在新材料、医药和生命科学中的各种用途

0.3近代化学的发展趋势（2）表面化学越来越引起重视多相化学反应总是在表面上进行，了解表面反应的实际过程，推动表面化学和多相催化的发展。表面活性剂、表面膜的应用越来越广泛

0.3近代化学的发展趋势（2）表面化学越来越引起重视各种新型的催化剂各种表面活性剂各种结构的表面膜分子筛各种纳米材料润湿剂洗涤剂起泡剂增溶剂乳化剂破乳剂消泡剂介孔材料渗透膜离子交换膜气体分离膜电子器件膜

0.3近代化学的发展趋势（3）学科的交叉和渗透更加普遍本专业之间相互渗透,无机化学和有机化学无明显的界限生物药学天文医学化学计算材料计算化学生物化学药物化学材料化学天体化学医用化学与其他专业相互渗透

0.3近代化学的发展趋势（3）学科的交叉和渗透更加普遍学科间相互渗透、相互结合，形成了许多极具生命力的边缘学科化学与材料化学与环境化学与能源化学与生活化学与生命

0.4学习方法及要求(2)注意逻辑推理的思维方法，反复体会感性认识和理性认识之间的相互关系。(3)抓住重点，认真做习题，学会解题方法。很多东西只有通过解题才能学到，不会解题，就不可能掌握物理化学。(4)课前自学，课后复习，勤于思考，培养自学和自己获取知识的能力。(1)培养能用物理化学的观点和方法来看待和分析日常生活中所有与化学有关的现象。要求：考勤、作业。

0.5物理量的表示与运算0.5.1物理量的表示数值物理量单位数值单位其单位为1物理量物理量既可以用符号表示，也可以用数值与单位之积表示。例如，物理量可以表示为是单位是数值

0.5物理量的表示与运算单位的表示一般用小写正体的拉丁字母表示。例如:米秒千克摩尔立方分米立方米KelvinJouleVoltPascal如果单位来自人名，则第一个字母用大写。例如：

0.5物理量的表示与运算表格中的物理量表格中用纯数表示，在表头中用物理量与其单位的比值表示

实验编号

110022.725045.4

0.5物理量的表示与运算坐标中的物理量坐标轴是数轴，坐标轴也要用物理量与其单位的比值表示V/dm3p/kPa5022.710045.4

0.5.2物理量的运算在运算物理量的方程时，必须代入完整的物理量有1mol理想气体，在298K和100kPa时，要计算气体所占有的体积。已知方程代表物理量之间的关系数值和单位都要运算

0.5.2物理量的运算在运算物理量的方程时，必须代入完整的物理量有1mol理想气体，在298K和100kPa时，要计算气体所占有的体积。已知方程代表物理量之间的关系全部用SI单位，运算式可以简单一点

0.6关于标准压力表示标准压力1986年以前，1986年，GB3100-86规定：1993年，GB3100-93规定：第1章气体第1章气体1.1低压气体的经验定律1.2理想气体及其状态方程1.3理想气体混合物1.4真实气体的液化1.5真实气体的状态方程物质的聚集状态气体液体固体V受T、p影响大联系p、V、T

之间关系的方程称为状态方程物理化学中主要讨论气体的状态方程气体理想气体实际气体V受T、p影响小1.1低压气体的经验定律1.Boyle定律2.Charles-Gay-Lussac定律3.Avogadro定律1.2理想气体及其状态方程1.理想气体的微观模型2.理想气体的状态方程1.2.1理想气体的微观模型

理想气体分子之间的相互作用可忽略不计

理想气体分子的自身体积可忽略不计高温和低压下的气体近似可看作理想气体难液化的气体适用的压力范围较宽例如,在较大的压力范围内都可以作为理想气体处理1.2.2.理想气体的状态方程理想气体的状态方程为摩尔气体常量单位：pPaV

m3

T

Kn

mol

R

Jmol-1K-1

1.3理想气体混合物1.混合物组成表示法2.Dalton分压定律3.Amagat分体积定律1.3理想气体混合物理想气体混合物若干种理想气体混合在一起，形成均匀的气体混合物，每种气体都符合状态方程1.3.1混合物组成表示法1.B的摩尔分数称为组分B的摩尔分数或物质的量分数单位为1混合物中所有组分的物质的量之和表示与液相平衡的气相中B的摩尔分数1.3.1混合物组成表示法2.B的体积分数称为组分B的体积分数（相同的T，p）单位为1混合前纯B的摩尔体积混合前各纯组分体积的加和1.3.1混合物组成表示法3.B的质量分数称为B的质量分数单位为1B组分的质量混合物中所有物质的质量之和1.3.2Dalton分压定律B的分压等于相同T，V下单独存在时的压力在相同T，V下，总压等于各组分分压之和原则上，该定律只适用于理想气体1.3.3Amagat分体积定律在相同的温度T和总压力p的条件下

V，p是系统的总体积和压力，Amagat分体积定律原则上只适用于理想气体1.4真实气体的液化1.液体的饱和蒸气压2.临界状态3.真实气体的

图1.4.1液体的饱和蒸气压在密闭容器内和一定温度下当蒸发与凝聚的速率相等时这时蒸气的压力称为达到气-液平衡该液体在该温度时的饱和蒸气压理想气体在任何T，p下都不能被液化真实气体在降温或加压下，有可能被液化加热密闭容器中的液体，不可能观察到沸腾现象。1.4.1液体的饱和蒸气压饱和蒸气压是物质的性质，随温度的上升而增加在敞口容器中加热液体，当蒸气的压力等于外压时，液体沸腾，这时的温度称为沸点。饱和蒸气压大的液体，其沸点较低常见液体在不同温度下的饱和蒸气压可以查表。降低外压，其沸点也随之降低。1.4.2临界状态随着温度升高，饱和蒸气压变大，气体的密度不断变大这种状态称为临界状态这时气-液界面消失，液体和气体混为一体在该温度之上无论用多大压力，都无法使气体液化随着温度升高，液体由于受热膨胀，其密度不断变小达到某温度时，气体的密度等于液体的密度温度为临界温度1.4.2临界状态在临界状态时的参数称为临界参数，如高于临界状态的物系，既具有液体性质，又具有气体性质，称为超临界流体超临界流体超临界流体具有液体一样的溶解能力超临界流体具有气体一样的扩散速度如超临界流体在萃取和合成方面用途很广1.液体的饱和蒸气压同种物质在不同温度下，饱和蒸气压不同不同物质在相同温度下，饱和蒸气压不同2.沸腾、沸点液体与大气接触，达到沸点－沸腾；外压降低，沸点下降——高原煮饭——《相图》临界点密闭容器中，不会沸腾——《多组分系统》气相、液相组成1.4真实气体的液化1.5真实气体的状态方程1.vanderWaals方程2.vanderWaals方程的应用1.5.1vanderWaals方程因家境贫寒无法上学，在工作之余，刻苦钻研，自学成才vanderWaals（1837—1923）荷兰物理学家他的博士论文“论液态和气态的连续性”引起了学术界关注1873年，他最先假设原子间和分子间存在某种吸引力，后来被称为vanderWaals力。1881年，得出vanderWaals方程1910年，因研究气态和液态方程成绩显著，获诺贝尔物理学奖1.5.1vanderWaals方程vanderWaals对理想气体的状态方程作了两项修正：（1）1mol分子自身占有的体积为b（2）1mol分子之间的作用力，即内压力为导出的vanderWaals方程为1.5.1vanderWaals方程或a，b

称为vanderWaals常量，常见气体的vanderWaals常量值可以查表。a的单位：b的单位：第2章热力学第一定律有能量交换环境无物质交换封闭系统第2章热力学第一定律2.1热力学概论2.2热力学的一些基本概念2.3热力学第一定律2.4焓和热容2.5理想气体的热力学能和焓2.6几种热效应2.7化学反应的焓变第2章热力学第一定律2.1热力学概论2.2热力学的一些基本概念2.3热力学第一定律2.4焓和热容2.5理想气体的热力学能和焓2.6几种热效应2.7化学反应的焓变2.1热力学概论1.热力学的研究对象2.热力学的研究方法和局限性2.1.1热力学的研究对象在发展初期,热力学主要研究热和机械功之间的相互转化关系Joule自1840年起，用各种不同方法研究热和功的转换关系，历经40余年，得出了热与功的转换关系，后来称之为热功当量

为能量守恒定律打下了基础

能量有各种不同的形式，可以相互转变，但能量的总值不变。2.1.1热力学的研究对象Joule（1818—1889）英国物理学家1818年生于曼彻斯特，自幼没受过正规教育，自认识Dalton后，激发了对化学和物理的兴趣。他长期与汤姆孙合作，共同发现了焦耳-汤姆孙效应。人们为了纪念他，把能量的单位定为J（焦耳）他用各种方法进行了四百多次的实验，历经40多年，获得了热功当量的值。2.1.1热力学的研究对象（2）判断在某条件下，指定的热力学过程变化的方向和可能达到的最大限度。化学热力学主要研究：(1)化学过程及其与化学密切相关的物理过程中的能量转换关系。2.1.2热力学的研究方法和局限性热力学的研究方法研究对象是大数量分子的集合体，研究其宏观性质，所得结论具有统计意义。只考虑变化前后的净结果，不考虑变化的细节和物质的微观结构。在一定条件下，能判断变化能否发生以及进行到什么程度，但不考虑变化所需要的时间。2.1.2热力学的研究方法和局限性热力学研究的局限性对于反应热力学研究认为正向反应的趋势很大，反应基本可以进行到底，逆反应的趋势极小无法说明：如何使反应发生，反应有多少种途径，反应的速率是多少，历程如何等热力学研究是知其然而不知其所以然；只能判断变化发生的可能性，而不讲如何实现2.1.2热力学的研究方法和局限性热力学研究的必要性当合成一个新产品时，首先要用热力学方法判断一下，该反应能否进行，若热力学认为不能进行，就不必去浪费精力热力学研究对指导科学研究和生产实践无疑有重要的意义热力学给出的反应限度，是理论上的最高值，只能设法尽量接近它，而绝不可能逾越它2.2热力学的一些基本概念1.系统和环境2.系统的宏观性质3.热力学平衡态4.状态函数5.过程和途径2.2.1系统和环境系统（system）在科学研究中，把要研究的对象与其余分开。分隔的界面可以是实际的，也可以是想象的。环境（surroundings）与系统密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。环境系统将水作为系统，其余就是环境这种被划定的研究对象称为系统，也称为物系或体系。2.2.1系统和环境根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类：敞开系统、封闭系统、孤立系统（1）敞开系统（opensystem）系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换。环境有物质交换敞开系统有能量交换敞开系统不属于经典热力学的研究范畴2.2.1系统和环境根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类：（2）封闭系统（closedsystem）系统与环境之间无物质交换，但有能量交换。环境无物质交换有能量交换封闭系统封闭系统是经典热力学的主要研究对象2.2.1系统和环境根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类：（3）孤立系统（isolatedsystem）系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故又称为隔离系统。有时把封闭系统和系统影响所及的环境一起作为孤立系统来考虑。环境无物质交换无能量交换孤立系统(1)大环境无物质交换无能量交换孤立系统(2)系统2.2.2系统的宏观性质广延性质（广度性质、容量性质）强度性质强度性质与系统的数量无关。例如：广延性质与系统的数量成正比。例如：2.2.3热力学平衡态（1）热平衡（2）力平衡（3）相平衡（4）化学平衡各相组成和数量不随时间而变宏观上反应物和生成物的量不再随时间而变同时满足，缺一不可。2.2.4状态函数状态函数特点：异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。当系统的状态发生变化时，系统的性质也随之改变改变的量只取决于始态和终态，而与变化途径无关

无论经历多么复杂的变化，只要系统恢复原状，所有的性质也都复原热力学中，把具有这种特性的物理量称为状态函数2.2.4状态函数状态函数在数学上具有全微分的性质当系统的状态发生了一个无限小的变化状态函数

Z的变化为状态函数

Z的变化为当系统从状态1变到状态2，当状态发生了一个环状过程，最常用、可测量的状态函数状态函数

Z的变化为2.2.5过程和途径过程从始态到终态所具体经历的步骤称为途径。

在一定的环境条件下，系统发生了一个从始态到终态的变化，称为系统发生了一个热力学过程。(process)途径(path)常见的过程有p，V，T过程，相变过程和化学变化过程。同一个变化过程，可以由不同的途径来完成。状态函数的变化量与具体的途径无关。2.2.5过程和途径（1）等温过程（2）等压过程（3）等容过程（4）绝热过程（5）环状过程常见的热力学p，V，T过程有2.3热力学第一定律1.热2.功3.热力学能4.热力学第一定律5.可逆过程2.3.1热热的本质是大量分子无规则运动的一种表现热的定义由于温差,系统与环境之间传递的能量热的符号与单位符号单位热的取号系统吸热系统放热热的特点1.是系统与环境之间传递的能量3.不是状态函数,微小变化用表示热的种类蒸发热凝聚热溶解热反应热升华热相变热稀释热2.与具体的变化途径相联系－（过程量）2.3.2功功的定义除热外,系统与环境间传递的其他能量功的符号与单位符号单位功的取号系统得到功系统做功功的特点功的种类膨胀功非膨胀功电功表面功1.是系统与环境之间传递的能量3.不是状态函数,微小变化用表示2.与具体的变化途径相联系－（过程量）（体积功）（非体积功）2.3.2功功的数学表示式膨胀功膨胀功示意图总功2.3.2功一次膨胀做功的示意图阴影面积代表所做的功2.3.3热力学能热力学能的本质在绝热条件下,一定量物质从相同的始态到达相同的终态，所耗各种形式功的数值相同。热力学能的定义热力学能的符号单位是系统内所有微观粒子的无序运动的动能(平动能、转动能、振动能、电子和核运动的能量)以及所有粒子间相互作用的势能等能量的总和。即2.3.3热力学能（3）是状态函数，它的变化值取决于始态和终态，与变化途径无关。热力学能的特点（1）其绝对值不可测量，只能测定它的变化值。（2）是系统的广延性质，摩尔热力学能是强度性质（4）热力学能在数学上具有全微分的性质摩尔热力学能的单位是通常将热力学能看作T，V的函数2.3.4热力学第一定律Joule(1818—1889)

是热力学第一定律的奠基人Mayer(1814—1878)

Helmholtz(1821—1894)

2.3.4热力学第一定律热力学能的变化值可以表示为（1）热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热现象领域内所具有的特殊形式热力学第一定律的文字表达（2）第一类永动机是不可能造成的1.等于绝热过程的功交换2.或等于无功过程的热交换2.3.4热力学第一定律对微小量变化热力学第一定律的数学表达式系统与环境可以发生热和功的传递，但能量的总值保持不变。公式中的功是总功，在学习热力学基本定律时，一般不考虑非膨胀功。热力学第一定律是人类经验的总结，无数事实证明了这个定律的正确性，如果想违背这个定律，都将以失败告终。