宋天佑《无机化学》第2章ppt课件.ppt

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1、化学热力学,是从化学反应的能量出发,去研究化学反应的方向和进行程度的一门科学。第二章化学热力学初步2.1热力学基本概念2.1.1体系和状态函数体系我们研究的对象,称为体系。环境体系以外的其他部分,称为环境。例如,我们研究杯子中的水,则水是体系。水面上的空气、杯子皆为环境。这时体系和环境之间有明确的界面。例如,以N2和O2混合气体中的O2作为体系,则N2是环境。体系和环境之间有时又无明确的界面。此时,可以设计一个假想界面,从分体积的概念出发,认为V(O2)以内是体系,以外是环境。N2和O2之间就不存在明确的界面。热力学上研究的,多是和环境之间有能量交换,而无物

2、质交换的封闭体系。体系和环境放在一起,在热力学上称为宇宙。那种和环境之间既有能量交换,又有物质交换的体系称为敞开体系。而那种和环境之间既无物质交换,又无能量交换的体系称为孤立体系。描述和确定体系状态的物理量,称为状态函数。例如描述和确定理想气体体系的状态时,经常用到的物质的量n,压力p,体积V和温度T,均为体系的状态函数。状态一定,则体系的状态函数一定。体系的状态函数发生了变化,则体系的状态发生变化。例如,温度的改变量用T表示,则T=T终-T始可同样理解n,p,V等。状态变化的始态和终态一经确定,则状态函数的改变量是一定的。某些状态函数,如V,n等

3、所表示的体系的性质有加和性。例如5dm3气体,V=5dm3,它等于体系各部分的体积之和。V,n等性质称为体系的量度性质。T,p,等性质,无加和性,称为体系的强度性质。体系的状态发生变化,从始态到终态,则称体系经历了一个热力学过程,简称过程。若体系的始态、终态的压力和环境的压力等于一个恒值,则称体系的变化为“恒压过程”。同样理解“恒温过程”若体系变化时和环境之间无热量交换,则为“绝热过程”。若体系的始态、终态的体积等于一个恒值,则称体系的变化为“恒容过程”。完成一个热力学过程,可以采取多种不同的方式。每一种具体方式,称为一种途径过程注重于始态和终态;而途径注

4、重于具体方式。例如,某理想气体,经历一个恒温过程该过程可以经由许多不同的途径来完成。p=1105Pap=2105PaV=2dm3V=1dm3恒温过程2105Pa1dm31105Pa2dm3途径II4105Pa0.5dm3下面给出其中两种途径:途径I0.5105Pa4dm3状态函数的改变量,取决于始态和终态,不管途径如何不同。在同一过程的每一种途径中,状态函数的改变量均一致。p=p终-p始=2105-1105=1105(Pa)p=1105Pap=2105PaV=2dm3V=1dm3恒温过程V=V终-V始=1-2=-1(dm3)p=1

5、105Pap=2105PaV=2dm3V=1dm3恒温过程热力学能是体系内部所有能量之和。它包括一些尚未研究的能量。热力学上用符号U表示热力学能,热力学能经常称为内能。虽然体系的热力学能尚不能求得,但是体系的状态一定时,热力学能是一个确定值。因此,热力学能U是体系的状态函数。体系的状态发生变化,始终态确定,则热力学能变化量U是一定值U=U终-U始T一定,则U一定。即若T=0,则U=0理想气体是最简单的体系,可以认为理想气体的热力学能只是温度的函数。2.1.2热力学第一定律过程中体系的热力学能变化,显然要依赖体系与环境之间的能量传递来实现。体系和环境

6、之间的能量传递有两种方式:一种是基于温差造成的能量传递,称为“热”;此外的其他能量传递方式统称为“功”。某体系由状态I变化到状态II,在这一过程中体系从环境吸热Q环境对体系做功W体系从环境吸热Q环境对体系做功W则有U=Q+W若体系热力学能的改变量用U表示,即体系热力学能的改变量等于体系从环境吸收的热量Q与环境对体系所做的功W之和。这就是热力学第一定律。U=Q+W例如某过程中,体系吸热100J,环境对体系做功-20J。由第一定律表达式U=Q+W=100+(-20)=80(J)环境的热力学能改变量怎样求得?已知,体系从环境吸热100J,环境对体系做功-2

7、0J。从环境考虑,(即把环境当做体系)则有Q环=-100J,W环=20J体系的热力学能增加了80J。所以U环=Q环+W环=(-100)+20=-80(J)环境的热力学能减少了80J。热力学能是量度性质,有加和性。体系加环境为宇宙,故U宇宙=U体+U环=80+(-80)=0所以说热力学第一定律是能量守恒定律。热力学规定:Q是指环境给予体系的热量。Q=-40J,表示体系放热40J。结论体系吸热为正,放热为负。Q=30J,表示体系吸热30J,W是指环境对体系所做的功,W=20J表示环境对体系做功20J,W=-10J表示体系对环境做功10J。2.1.3体积功

8、在热力学过程中,体系对抗外压改变体积,产生体积功。在

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