傅献彩物理化学电子教桉课件-第五版02章_热力学第一定律

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物理化学电子教案 ——第二章 热力学第一定律及其应用 环境 surroundings 无物质交换 封闭系统 Closed system ?U ? Q ?W 有能量交换 第二章 热力学第一定律§ 2.1 热力学概论§2.2 热平衡和热力学第零定律──温度的概念§2.3 热力学的一些基本概念 §2.4 热力学第一定律§2.5 准静态过程与可逆过程§2.6 焓§2.7 热容 §2.8 热力学第一定律对理想气体的应用 §2.9 Carnot循环 第二章 热力学第一定律 §2.10 Joule– Thomson效应 §2.11 热化学 §2.12 Hess定律 §2.13 几种热效应 §2.14 反应焓变与温度的关系-Kirchhoff定律 §2.15 绝热反应── 非等温反应*§2.16 热力学第一定律的微观诠释*§2.17 由热力学第零定律导出温度的概念*§2.18 关于以J(焦耳)作为能量单位的说明 §2.1 热力学概论 热力学的基本内容 ?研究宏观系统的热与其他形式能量之间的相互 转换关系及其转换过程中所遵循的规律; ?热力学共有四个基本定律:第零、第一、第二、 第三定律,都是人类经验的总结。第一、第二定 律是热力学的主要基础。?化学热力学是用热力学基本原理研究化学现象和相关的物理现象?根据第一定律计算变化过程中的能量变化,根据第二定律判断变化的方向和限度。 § 2.1 热力学概论 热力学方法和局限性?热力学方法是一种演绎的方法,结合经验所得的基本定律进行演绎推理,指明宏观对象的性质、变化方向和限度。 ?研究对象是大数量分子的集合体,研究宏观 性质,所得结论具有统计意义。 ?只考虑平衡问题,考虑变化前后的净结果, 但不考虑物质的微观结构和反应机理。 ?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 热力学概论热力学方法和局限性局限性不知道反应的机理和反应速率不研究系统的宏观性质与微观结构之间的关系 可以指出进行实验和改进工作的方向,讨论变化的可能性,但无法指出如何将可能性变为现实的方法和途径 §2.2 热平衡和热力学第零定律 温度的概念 将A和B用绝热壁隔开,而让A和B 分别与C达成热平衡。 C C A B A B 绝热 导热 然后在A和B之间换成导热壁,而让A和B 与C之间用绝热壁隔开 §2.2 热平衡和热力学第零定律温度的概念 A和B分别与C达成热平衡,则A和B也处于热平衡,这就是热平衡定律或第零定律。 C C A B A B 当A和B达成热平衡时,它们具有相同的温度 由此产生了温度计,C相当于起了温度计的作用 §2.3 热力学的一些基本概念 系统与环境 系统(System) 在科学研究时必须先确定 研究对象,把一部分物质与其 环境 余分开,这种分离可以是实际 系统 的,也可以是想象的。 这种被划定的研究对象称为系统,亦称为体系或物系。 环境(surroundings) 系统与环境 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。 系统的分类 根据系统与环境之间的关系,把系统分为三类:(1)敞开系统(open system) 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 经典热力学不研究敞开系统 系统的分类 根据系统与环境之间的关系,把系统分为三类:(2)封闭系统(closed system) 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 封闭系统 有能量交换 经典热力学主要研究封闭系统 系统的分类 根据系统与环境之间的关系,把系统分为三类:(3)隔离系统(isolated system) 系统与环境之间既无物质交换,又无能量交换,故又称为孤立系统。 环境 无物质交换 隔离系统(1) 无能量交换 系统的分类 根据系统与环境之间的关系,把系统分为三类:(3)隔离系统(isolated system) 有时把系统和影响所及的环境一起作为孤立系统来考虑。 大环境 无物质交换 孤立系统(2) 无能量交换 ?Siso ? ?Ssys ? ?Ssur 系统的性质 用宏观可测性质来描述系统的热力学状态, 故这些性质又称为热力学变量。可分为两类: 广度性质(extensive properties) 又称为容量性质,它的数值与系统的物质的量成 正比,如体积、质量、熵等。这种性质有加和性, 在数学上是一次齐函数。 强度性质(intensive properties) 它的数值取决于系统自身的特点,与系统的数量无关,不具有加和性,如温度、压力等。它在数学上是零次齐函数。指定了物质的量的容量性质即成为强度性质,或两个容量性质相除得强度性质。系统的性质 广度性质 广度性质(1)强度性质 ? ? 物质的量 广度性质(2) m V ? ? V ? V m n U S U ? S ? m n m n 热力学平衡态 当系统的诸性质不随时间而改变,则系统就处于热力学平衡态,它包括下列几个平衡: 热平衡(thermal equilibrium) 系统各部分温度相等 力学平衡(mechanical equilibrium) 系统各部的压力都相等,边界不再移动。如 有刚壁存在,虽双方压力不等,但也能保持力学 平衡 相平衡(phase equilibrium) 多相共存时,各相的组成和数量不随时间而改变 化学平衡(chemical equilibrium ) 反应系统中各物的数量不再随时间而改变 状态函数(state function) 系统的一些性质,其数值仅取决于系统所处的状态,而与系统的历史无关; 它的变化值仅取决于系统的始态和终态,而与变化的途径无关。 具有这种特性的物理量称为状态函数 状态函数的特性可描述为: 异途同归,值变相等; 周而复始,数值还原。 状态函数在数学上具有全微分的性质。 状态方程(equation of state) 系统状态函数之间的定量关系式称为状态方程 对于一定量的单组分均匀系统,状态函数 p, V,T 之间有一定量的联系。经验证明,只有两个是独立的,它们的函数关系可表示为: T ? f ( p,V ) p ? f (T,V ) V ? f (T, p) 例如,理想气体的状态方程可表示为: pV ? nRT 对于多组分系统,系统的状态还与组成有关,如: T ? f ( p, V, n1, n2, ?) 过程和途径 过程 (process) 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。 途径 (path) 从始态到终态的具体步骤称为途径。 常见的变化过程有: (1)等温过程 T1 ? T2 ? T环(2)等压过程 p1 ? p2 ? p环(3)等容过程 dV ? 0(4)绝热过程 Q ? 0(5)环状过程 ?? dU ? 0 热和功 热(heat) 系统与环境之间因温差而传递的能量称为 热,用符号Q 表示。 Q的取号: 系统吸热,Q>0 系统放热,Q<0 热的本质是分子无规则运动强度的一种体现 计算热一定要与系统与环境之间发生热交换的过程联系在一起,系统内部的能量交换不可能是热。 热和功 功(work) 系统与环境之间传递的除热以外的其他能量都称为功,用符号W表示。 W的取号: 环境对系统作功,W>0 系统对环境作功,W<0 Q和W的单位都用能量单位 “J” 表示 Q和W都不是状态函数,其数值与变化途径有关。 Q和W的微小变化用符号 " ? " 而不能用 " d " 表示 热和功广义的功可以看作强度变量与广度变量的乘积 δW ? ? pdV ? (Xdx ?Ydy ? Zdz ??) ? δWe ? δWf 式中 p , X , Y , Z , ? 是强度变量 d V ,d x , d y , d z? 是相应的广度变量 功可以分为膨胀功和非膨胀功,热力学中一般不考虑非膨胀功 §2.
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