物理化学统计热力学课件

物理化学统计热力学课件汇报人：小无名13目录引言热力学第一定律热力学第二定律统计热力学基础相平衡与化学平衡非平衡态热力学简介01引言010203掌握热力学基本概念和原理通过学习，学生应能熟练掌握温度、热量、功、内能等热力学基本概念，以及热力学第一定律和第二定律等基本原理。理解统计热力学的基本思想和方法学生应能理解微观粒子运动的统计规律，掌握统计热力学的基本思想和方法，如系综理论、分布函数等。掌握热力学在化学反应中的应用学生应能运用热力学原理分析化学反应的方向、限度以及反应过程中的能量转化等问题。课程目的与要求温度是表示物体冷热程度的物理量，是热力学系统的重要参量之一。热量是热力学系统与外界之间因温差而传递的能量，是过程量。功是力在力的方向上移动的距离的乘积，是过程量。内能是热力学系统内部所有微观粒子运动所具有的能量总和，是状态量。温度热量功内能热力学基本概念统计热力学的研究对象统计热力学以大量微观粒子组成的宏观系统为研究对象，通过统计方法揭示系统的宏观性质与微观结构之间的关系。统计热力学的研究方法统计热力学采用系综理论、分布函数等方法研究系统的宏观性质。其中，系综理论通过引入“系综”概念描述大量具有相同宏观性质但微观状态不同的系统的集合；分布函数则用于描述系统中微观粒子运动状态的分布规律。统计热力学简介02热力学第一定律热力学系统由大量微观粒子（如分子、原子）组成的宏观物质体系，是热力学研究的对象。热力学过程系统从一个平衡态变化到另一个平衡态所经历的路径，描述系统状态的变化。孤立系统、封闭系统和开放系统根据系统与外界交换物质和能量的方式不同，可将系统分为孤立系统（与外界无物质和能量交换）、封闭系统（与外界有能量交换但无物质交换）和开放系统（与外界既有物质交换又有能量交换）。热力学系统与过程能量守恒与转换定律在热力学中的一种表现，表明热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。热力学第一定律的实质热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。热力学第一定律的表述热力学第一定律表述功01宏观上表现为物体间的相互作用力及在该力作用下的相对位移的乘积，是描述系统状态变化过程中能量转换的量度。热02由于温差的存在而导致的能量传递形式。它是热量转移的过程量。内能03是物体或若干物体构成的系统（简称系统）内部一切微观粒子的一切运动形式所具有的能量总和。内能常用符号U表示，内能具有能量的量纲，国际单位是焦耳（J）。功、热与内能当物质在某一温度下吸收或放出热量时，其温度的改变量称为该物质在该温度下的热容量或热容。热容反映了物质吸收或放出热量的能力，其大小与物质的性质、温度及过程有关。热容为了计算上的方便，常将热力学第一定律的数学表达式改写为适用于某一特定热力学过程的另一种形式。对此，定义了一个物理量——焓(hán)，对于等压过程中进行的化学反应，由于反应前后物质的体积可能会发生变化，所以反应过程中除转化(产生或消耗)的热能外，还会同时改变体系的体积而做功。焓热容与焓03热力学第二定律热力学第二定律的克劳修斯表述不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。热力学第二定律的开尔文表述不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其它影响。热力学第二定律表述熵是体系混乱度的量度，用符号S表示。对于同一物质，气态熵>液态熵>固态熵。熵的定义在孤立系统中，一切不可逆过程必然向着熵的不断增加的方向进行。熵增原理熵与熵增原理热力学温标与温度热力学温标热力学温标又称“绝对温标”或“开尔文温标”。是由威廉·汤姆森，第一代开尔文男爵于1848年提出的温标。符号为T，单位是开尔文，简称“开”。温度温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。系统经过某一过程从状态1变到状态2之后，如果能使系统和环境都完全复原，那么这样的过程就称为可逆过程。系统经过某一过程从状态1变到状态2之后，无论采用何种办法都不能使系统和环境完全复原的过程称为不可逆过程。可逆过程与不可逆过程不可逆过程可逆过程04统计热力学基础宏观状态描述系统整体的热力学性质，如温度、压力、体积等。微观状态与宏观状态的联系宏观状态是微观状态的统计平均结果，微观状态的变化会影响宏观状态的表现。微观状态描述系统中每个粒子的状态和相互作用，包括位置、动量、自旋等。微观状态与宏观状态

玻尔兹曼分布与玻色-爱因斯坦分布玻尔兹曼分布描述经典粒子在平衡态下的分布规律，适用于粒子间相互作用较弱的情况。玻色-爱因斯坦分布描述全同玻色子在平衡态下的分布规律，适用于粒子间相互作用较强的情况。两种分布的联系与区别玻尔兹曼分布是玻色-爱因斯坦分布在高温、低密度条件下的近似结果，两者在低温、高密度条件下存在显著差异。03费米-狄拉克分布与泡利原理的关系泡利原理是费米-狄拉克分布的基础，费米-狄拉克分布反映了泡利原理在统计热力学中的影响。01费米-狄拉克分布描述全同费米子在平衡态下的分布规律，适用于粒子间相互作用较强的情况。02泡利不相容原理指出两个全同费米子不能处于同一量子态，是量子力学的基本原理之一。费米-狄拉克分布与泡利不相容原理配分函数描述系统微观状态与宏观状态之间关系的函数，是计算热力学量的关键。热力学量计算通过配分函数可以计算系统的各种热力学量，如内能、熵、自由能等。配分函数的物理意义配分函数反映了系统在给定条件下的微观状态数，与系统的热力学性质密切相关。配分函数与热力学量计算05相平衡与化学平衡相平衡条件在恒温恒压下，当多相体系中各相的性质和数量均不随时间变化时，称该体系处于相平衡状态。此时，各相中的组元在相际间的转移达到动态平衡。相图分析相图是表示相平衡关系的图形，由温度、压力、组成等变量构成。通过相图可以了解物质的相态、相变及相平衡等热力学性质。相平衡条件及相图分析VS在一定条件下，可逆化学反应的正逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再发生变化的状态，称为化学平衡状态。此时，体系的吉布斯自由能达到最小值。反应进度表示方法反应进度是用来描述化学反应进行程度的物理量，用符号ξ表示。对于某一可逆反应，当达到化学平衡时，正逆反应的ξ值相等。化学平衡条件化学平衡条件及反应进度表示方法沉淀溶解平衡及溶度积常数计算在一定条件下，难溶电解质在溶液中的溶解与结晶达到动态平衡的状态。此时，溶液中离子的浓度不再发生变化。沉淀溶解平衡溶度积常数（Ksp）是描述难溶电解质在溶液中溶解平衡的常数，表达式为等于各离子浓度的幂之积。通过测定溶液中离子的浓度，可以计算出Ksp的值。溶度积常数计算在一定条件下，酸和碱反应生成盐和水的反应达到动态平衡的状态。此时，体系中各组分的浓度不再发生变化。pH值是描述溶液酸碱性的物理量，定义为氢离子浓度的负对数。通过测定溶液的pH值，可以了解溶液的酸碱性及酸碱反应的平衡情况。酸碱反应平衡pH值计算酸碱反应平衡及pH值计算06非平衡态热力学简介系统不处于热力学平衡状态，存在宏观流动或变化。非平衡态局域平衡假设热力学流与力将非平衡系统划分为许多小区域，每个小区域内可近似为平衡态。描述系统非平衡特性的物理量，如热流、粒子流等。030201非平衡态热力学基本概念123描述热力学流与力之间的线性关系，满足倒易对称性。Onsager倒易关系表达热力学流与力之间的线性唯象关系，如Fourier热传导定律、Fick扩散定律等。线性唯象定律在线性范围内，系统的熵产生总是非负的，与热力学第二定律相符。熵产生不等式线性非平衡态热力学理论框架描述热力学流与力之间的非线性关系，如热传导、扩散等现象中的非线性效应。非线性唯象定律非线性非平衡系统可能出现分叉行为和混沌现象，如Rayleigh-Bénard对流实验中的分叉现象。分叉与混沌某些非线性非平衡系统具有自组织临界性，即系统能够自发地演化到临界状态，表现出长程关联和复杂行为。自组织临界性非线性非平衡态热力学研究进展