绪论及气体的PVT行为.ppt

物理化学PhysicalChemistry 上册 主讲 张丽丹博士教授Tel mail zhang ld57 通信地址 北京化工大学99信箱邮编 100029 绪论 一 什么是物理化学二 物理化学的内容三 物理化学的研究方法四 学习物理化学的意义五 如何学好物理化学六 物理量的表示及运算 一 什么是物理化学 应用物理学原理和方法研究有关化学现象和化学过程的一门科学 物理化学是从物质的物理现象与化学现象的联系入手来研究化学变化基本规律的一门科学 WhatisPhysicalChemistry Chemistryworkswithanenormousnumberofsubstance itisanextensivescience Physicsontheotherhandworkswithratherfewsubstance itisanintensivescience Physicalchemistryisthechildofthesetwosciences ithasinheritedtheextensivecharacterfromchemical Uponthisdependsitsall embracingfeature withhasattestedsogreatadmiration Physicalchemistrymayberegardedasanexcellentschoolofexactreasoningforallstudentsofnaturalscience ArrheniusSA 化学变化总伴随着物理变化例如 化学反应中常伴有能量的吸收或放出 有压力 温度 密度 形态等的变化 有光的发射或吸收 有声响 有电动势 电流等 物理条件的变化也影响着化学变化例如 压力 温度 浓度等变化对化学变化有影响 化学现象与物理现象之间有着密切联系 物理化学研究的正是这种联系 从而找出化学反应中具有普遍性的规律 一 什么是物理化学 二 物理化学的内容 化学变化的能量守恒 热力学第一定律化学变化的方向和限度 热力学第二定律 化学反应进行的速度化学反应进行的具体步骤 机理 化学性质与微观结构之间的关系 化学热力学 化学动力学 结构化学 三 物理化学的研究方法 实验的方法 研究化学反应随时间的变化规律 研究化学平衡的规律 研究物质性质与外界条件的关系 测定各种物理化学常数 除常用的化学实验外 常用物理学中的一系列实验方法 测温度 压力 浓度 观颜色 声现象 测电流 磁场等 经典热力学统计热力学量子力学 理论的方法 四 物理化学的研究内容和学习方法 物理化学的内容包括 1 气体 2 热力学第一定律 3 热力学第二定律 4 多组分系统热力学 5 化学平衡 6 相平衡 7 电化学 8 统计热力学初步 9 表面化学 10 化学动力学 11 特殊反应动力学 12 胶体化学 物理化学的学习方法 1 实验的方法 学会从实验的结果中总结出规律性的结论 再用于实践 2 物理化学是研究规律性的一门学科 在学习中学会善于思考 学会归纳和总结 从思考和总结中掌握物理化学基本原理 五 如何学好物理化学 物理化学课的特点 1 理论性强 有的概念相当抽象 2 各章节相互联系密切 3 理论与计算并重 4 大部分公式都有使用条件和适用范围 要求 1 认真听讲 及时复习 做好习题 思考题 2 了解各章节重点 难点 注意概念之间的联系 3 要注意每个公式的应用条件 切忌死记硬背 4 要有一定的数学 物理基础 六 物理量的表示及运算 物理量 数值 单位如 压力p 101 325kPa 1 物理量常用特定符号表示 该符号即包括数值又包括单位 2 用物理量表示的方程式中 有加 减 比较时 要求量纲 单位相同 3 对数 指数中的变量应当是纯数而不是物理量 例如 ln X X x x 4 作图 列表应当用纯数 5 国际单位制常用的物理量 长度 m 米 质量 kg 千克 时间 s 秒 压力 Pa 帕斯卡 能量 J 焦耳 第一章气体及其pVT性质 1 1理想气体状态方程及微观模型 1 2道尔顿定律和阿马格定律 1 3实际气体的p V T性质 1 4范德华方程与维里方程 1 5实际气体的液化与临界性质 1 6对比状态原理与压缩因子图 一 理想气体状态方程二 气体常数R三 理想气体定义及微观模型四 理想气体p V T性质计算 1 1理想气体状态方程及微观模型 1 分子之间有一定距离 2 分子之间有相互作用力 3 分子不停地作无规则的热运动 气体 当分子之间的相互引力不足以克服分子无规则运动的分离倾向时 可充满任意空间 固体 分子之间的引力较大 把分子束缚在固定的平衡位置上 不能分离的很远 液体 介于如上两者之间 知识准备 物质的三态 一 理想气体状态方程 1 三个低压定律波义尔定律 n T一定p 1 VpV 常数盖 吕萨克定律 n p一定V TV T 常数阿费加德罗定律 T p一定V nV n 常数且T 273 15Kp 101 325kPa时 1mol气体Vm 22 4 10 3m3由三个低压定律可导出理想气体状态方程2 理想气体状态方程pV nRT或pVm RT单位 p PaV m3T Kn mol 二 气体常数R 对实际气体p 0时 符合理想气体方程 T一定时R 8 314J mol 1 K 1R 0 08206atm l mol 1 K 1在pVm p图上画线 T一定时pVm p关系曲线外推至p 0pVm为常数 三 理想气体定义及微观模型 对实际气体讨论 p 0时符合理想气体行为一般情况低压下可近似认为是理想气体温度越高 压力越低 越符合理想气体 宏观定义 微观模型 凡在任何温度 任何压力均符合理想气体状态方程 pV nRT 的气体 称为理想气体 分子本身不占体积 分子间无相互作用力 四 理想气体p V T性质计算 p V T n知三求一 计算质量 密度 体积流量 质量流量等 如 m V M V pM RT 两个状态之间的计算 当 一定时 p1V1 T1 p2V2 T2 1 2道尔顿定律和阿马格定律 一 道尔顿分压定律二 阿马格分体积定律三 两者关系 一 道尔顿分压定律 1 分压定义 混合气体中某组份B单独存在 且具有与混合气体相同的温度 体积时所产生的压力称为组份B的分压 用PB表示 TVTVTV2 道尔顿分压定律 混合气体的总压等于各组分单独存在于混合气体T V条件下产生的压力总和 适用于低压气体 推论 pB p yB 二 阿马格分体积定律 1 分体积定义混合气体中某组份B单独存在 且具有与混合气体相同的温度 压力时所的体积称为组份B的分体积 用VB表示 T pT pT p2 阿马格分体积定律 混合气体的总体积 等于混合气体各组分单独存在于混合气体T p条件下的体积之和 适用于低压气体 推论 VB V yB 三 两者关系 注意 p V n RTpV n RTpV nRT但是p V n RT 1 3实际气体的液化与临界性质 一 饱和蒸汽压的概念 当水与水蒸汽达成动态平衡时 p为温度T时的饱和蒸汽压 且饱和蒸汽压随温度的变化而变化 二 真实气体在p Vm图上的等温线 1 3实际气体的液化与临界性质 1 T tc气体不可液化 一段光滑曲线2 T tc气体可液化的最高温度 两段光滑曲线中间有拐点 C点3 T tc气体可以液化水平线气液共存较陡的线为液体线较平的线为气体线 CO2气体在p Vm图上的等温线分析 1 3实际气体的液化与临界性质 从CO2的p Vm图中可以看出分如下几个区域 1 3实际气体的液化与临界性质 分析CO2的液化曲线可得到如下结论 C点为临界点 pC VC TC分别为临界压力 临界体积 临界温度 CO2的pC 73967 25kPa VC 0 0957dm3 mol TC 31 04 临界点C有如下特点 高于临界温度 气体不能液化 临界点处VC g VC l 临界点C处 1 3实际气体的液化与临界性质 1 压缩因子真实气体的pVT行为偏离理想气体行为 引入压缩因子Z Z pV nRT Z pVm RT Z 1真实气体与理想气体没有偏差Z 1真实气体比理想气体难压缩Z 1真实气体比理想气体易压缩 1 4范德华方程与维里方程一 真实气体的pVT性质 CH4的Z p图 同一物质 不同温度下有不同的pVT行为 1 p 0 Z 1 2 p较大时分子之间表现排斥力Z 1 难压缩 3 p较小时分子之间表现吸引力Z 1 易压缩 二 真实气体的pVm p图及波义尔温度 在波义尔温度下 当压力趋于零时 pVm p等温线的斜率为零 波义尔温度的定义为 引力作用占主导地位 体积效应起主导作用 三 范德华方程 由理想气体pVm RT进行压力和体积修正得到范德华方程 分子之间无相互吸引力表观压力 1mol分子的自由活动空间 RT p 理 p 真 p 理 p 真 p 内 p 内 正比于分子间作用力的大小 正比于碰撞在单位面积上的分子数 如上两因素均于分子体积成反比 因此有 p 内 a Vm2 压力修正 1mol分子的自由活动空间 Vm 4 1mol分子本身的体积 4倍的1mol分子本身的体积 4 L R3 6 bVm 理 Vm 真 b a b R 2 体积的修正 ab两球碰撞时质心的最小距离为R 4 3 R3 每个分子的排除空间为 1 2 4 3 R3 即4 4 3 R 2 3 范德华方程为 p a Vm2 Vm b RT或 p na V2 V nb nRT 半经验方程 四 范德华常数与临界参数的关系 在临界点处 Vm C 2b Tc 8a 27Rb pc a 27b2a 27R2TC2 64pC b RTc 8pC 1 5对应状态原理及普遍化压缩因子图 一 对比状态原理二 压缩因子图三 压缩因子图使用 一 对比状态原理 pr Tr Vr之间大致存在着一个普遍适用的关系式 f pr Tr Vr 0 对比状态原理 若不同的气体有两个对比状态参数彼此相等 则第三个比状态