物理化学课程教案

物理化学教学计划讲座主题(教学章节或主题):第二章热力学第一定律教学类型专业课程是必修的。教学时间教材分析：本章讲述热力学第一定律、热量和功的规定和计算方法、焓的定义和反应热的计算等。它是热力学理论的基本内容之一，对研究后面的热力学理论具有重要意义。教学目标和要求：通过本章的教学，学生可以初步了解热力学方法及其基本特征，掌握状态、状态函数、可逆过程等基本概念。了解状态函数的性质，了解热力学第一定律，并能对物理和化学过程(状态变化、相变、化学反应等)进行相关计算。)。重点和难点：热力学的基本概念，状态函数的意义及其数学特征，焓的定义和意义，可逆过程及其意义，热力学第一定律在计算物理和化学过程U，H，Q和W中的应用。fHm(B)和 CHM (b)用于计算反应热效应。格斯定律和基尔霍夫定律的应用。卡诺循环教学内容和过程(思想、方法和手段):热力学的基本概念，热、功和热力学能之间的区别和联系，状态函数的意义及其数学特征，焓、可逆过程的定义和意义及其意义，热力学第一定律在计算物理和化学过程的U、H、Q和W中的应用，fHm(B)、cHm(B)在计算反应热效应中的应用，气体定律和基尔霍夫定律的应用，卡诺循环的意义以及理想气体在热力学中的热和功的计算思考问题、讨论问题、家庭作业1.课后复习所有的问题2.作业问题：2，5，6，9， 12，16，19，20，23，26，31。参考资料(包括参考书、文件等。)1.胡颖，主编，物理化学2.天津大学主编，物理化学3.大连理工大学总编辑，物理化学4.解决各种练习的指南5.课后列出的各种参考书第一章热力学第一定律及其应用2.1热力学导论热力学的基本内容热力学是一门研究热能转换过程中遵循的规律的科学。它包括由系统变化引起的物理量的变化或物理量变化时系统的变化。热力学研究的基础是四个经验定律(热力学第一、第二、第三定律和热力学零定律)，其中热力学第三定律是实验事实的推论。这些规律是人们通过大量实验总结出来的。它们有无可争议的事实基础，在一定程度上是绝对可靠的。热力学研究对于解决化学研究中遇到的实际问题非常重要，在生产和科学研究中发挥着重要作用。例如系统中变化的方向以及变化可能达到的极限。热力学的研究方法和局限性研究方法：热力学的研究方法是演绎推理方法。它利用热力学定律，通过分析被研究系统(被研究对象)转化过程中热和功之间的关系，来判断转化是否发生以及在何种程度上发生。特点：首先，热力学研究的结论是绝对可靠的，其推理是基于实验总结的热力学定律，没有任何虚部。另外，在研究这个问题时，热力学只从系统变化过程的热功关系入手，以热力学定律为标准来判断系统变化过程的方向和界限。无论物质粒子是什么，在系统转换的过程中发生了什么变化。限制：不能回答系统的转换和物质粒子特征之间的关系，即不能对系统变化的具体过程和细节做出判断。它只能预测过程的可能性，但它不能解决过程的现实性，即它不能预测过程的及时性。2.2热橡胶温度概念的建立和温度的测量都是基于热平衡现象。不受外界影响的系统最终会达到热平衡，不会发生宏观变化。状态参数可以用来描述它。当两个系统相互接触并且它们与能够传导热量的壁接触时，当两个系统之间达到热平衡时，两个系统的状态参数也应该相等。这个状态参数叫做温度。如何确定系统的温度？热力学第零定律指出，如果两个系统达到热平衡，第三个系统处于平衡，两个系统也处于热平衡。热力学第零定律是确定系统温度和测量系统温度的基础。虽然它比热力学第一定律和第二定律发现得晚，但它被称为热力学第零定律，因为根据逻辑，它应该放在它们前面。温度的科学定义来自热力学第零定律。当两个系统接触时，描述系统性质的状态函数将自动调整和改变，直到两个系统达到平衡，这意味着两个系统具有共同的物理性质，即“温度”。热力学第零定律的实质是指出温度状态函数的存在，它不仅给出了温度的概念，而且为系统温度的确定提供了依据。2.3热力学的一些基本概念系统与环境系统：在物理化学中，研究的对象被称为系统。环境：系统之外的部分称为环境。根据系统与环境的关系，系统可分为三类：(1)隔离系统：系统与环境之间没有物质和能量交换。(2)封闭系统：系统与环境之间没有物质交换，但有能量交换。(3)开放系统：系统与环境之间既有物质交换，也有能量交换。系统的属性系统的状态可以用它可观察到的宏观性质来描述。这些属性称为系统属性。系统的属性可以分为两类：(1)宽度属性(或容量属性)与系统的数量成比例，并具有相加性。整个系统的宽度属性是系统所有部分的总和。例如体积、质量、热力学能量等。(2)强度特性由系统自身特性决定，不具有可加性。例如温度、压力、密度等。通常，通过用系统的宽度特性除以系统中总物质的量或质量来获得强度特性。热力学平衡状态当系统的各种性质不随时间变化时，系统处于热力学平衡状态。所谓的热力学平衡应该包括以下平衡。(1)热平衡：系统各部分温度相等。(2)机械平衡：系统各部分压力相等。(3)相平衡：当系统没有相时，各相之间的物质分布达到平衡，各相之间没有物质的净转移。(4)化学平衡：当体系中发生化学反应时，体系的组成在达到平衡后不随时间变化。状态函数当系统处于一定的状态时，系统的各种属性都有一定的值，但这些属性不是独立的，它们之间有一定的数学关系(状态方程)。通常，只要确定了系统的几个属性，其他属性就会相应地确定。这样，系统的属性可以表示为系统其他属性的函数，即系统的属性由其状态决定，因此系统的属性也称为状态函数。诸如当系统处于某种状态时，系统的性质只取决于它所处的状态，与过去的历史无关。如果外部条件改变，它的一系列性质也会改变。当系统的性质发生变化时，它只取决于初始状态和最终状态，与变化的路径无关。这种状态函数的特征具有数学上的全微分特征，可以根据获得状态方程：系统的状态方程不是从热力学理论推导出来的，而是必须通过实验来确定。在统计热力学中，状态方程可以通过假设系统中粒子之间的相互作用而导出。描述系统状态所需的独立变量的数量取决于系统的特性，并且随着问题目的的复杂性而变化。一般来说，对于具有常数组成的齐次封闭系统，需要两个独立变量来确定系统的状态。例如，理想气体的状态方程可以写成(1)对于成分因化学变化、相变等而变化的系统。还必须指定每个相的组成或整个系统的组成，并且确定系统状态所需的属性数量将相应增加。例如，对于一个开放系统，系统的状态可以写成一个函数。(2)过程和方法过程：在一定的环境条件下，系统经历了从一种状态到另一种状态的状态变化。我们称这个系统为热力学过程，简称过程。路径：系统变更所经历的特定路径称为路径。常见的变化包括：(1)等温过程系统从状态1变为状态2。在变化过程中，温度保持不变。初始状态温度等于最终状态温度，等于环境温度。(2)等压过程系统从状态1变为状态2。在变化过程中，压力保持不变。初始压力等于最终压力，也等于环境压力。(3)定容工艺系统从状态1变化到状态2，在变化过程中体积保持不变。(4)绝热过程系统在变化过程中不与环境进行热交换。这个过程叫做绝热过程。如果系统通过绝热壁与环境隔开，或者变化过程太快而不能与环境进行热交换，则可以近似地认为是绝热过程。(5)循环过程系统从初始状态开始，经过一系列变化后回到初始状态。这被称为循环过程。系统经历这个过程，所有属性的变化等于零。热量和功热：在热力学中，由于系统和环境之间的温差而在它们之间传递的能量称为热(Q)。(符号一致：系统吸热为正)热(量)的概念不同于系统热和冷的概念。在热力学中，除了热之外，系统和环境之间以其他形式传递的能量称为功(W)(符号规定对系统做功是正的)。热和功不是状态函数，它们的大小与过程有关，它们的微小量用符号“”表示。有各种形式的工作：体积工作、电气工作、表面工作、辐射工作等。功可以分为体积功和非体积功。各种功的微小量可以表示为环境对系统施加影响的强度性质及其共轭宽度性质的乘积。例如，功的计算公式可以表示为：(3)在上述公式中，环境对系统影响的强度特性被表示，而其共轭的宽度特性的变化被表示。热量和功的单位：焦距(j)2.4热力学第一定律大量实验证明，能量守恒和转换定律已经建立。热力学第一定律是包括热在内的能量守恒和转换定律：热力学第一定律可以表述如下：自然界中的所有物质都有能量，能量有多种形式，并且可以从一种形式转换成另一种形式。在转换过程中，总能量保持不变。能源系统的总能量由以下三部分组成：(1)系统整体运动的能量(t)。(2)外力场中系统的势能。(3)热力学能量(u)。当研究静止系统(T=0)时，如果不考虑外力场的影响(V=0)，系统的总能量就是热力学能量。系统的热力学能量包括系统中各种运动形式所拥有的能量(粒子的水平动能、旋转能、振动能、电子能、核能、分子间势能等)。)。当系统运行时(5)上述两个方程被称为热力学第一定律的数学表达式。热力学第一定律也可以用另一种书面形式表达：热力学第一定律的措辞指出，不可能创造出一台不依赖外部能量供应的永动机，也不可能创造出一台自身能量不减少但不断对外做功的永动机。热力学第一定律也可以表述为：第一种永动机是不可能创造的。热力学能量解释：系统的热力学能量包括系统中各种粒子运动形式的能量。由于系统中的粒子是无限可分的，运动形式也是无穷无尽的，所以系统的热力学能量值是不可知的。系统中热力学能量的变化可以由变化过程中的Q和W来确定。系统的热力学能量是一个状态函数(证明)；假设热力学能量不是状态函数，假设系统从路径一变为路径二，热力学能量从路径一变为路径二。如果路径二从改变，过程的热力学能量变为。如果将系统的两个变化过程结合成一个循环，循环回到初始状态后，系统的热力学能将发生变化，环境也将获得能量，即能产生能量并能形成第一类永久相。这个结论不符合热力学第一定律，所以只是。系统的热力学能量的变化只与恒定状态有关，而与路径无关，因此系统的热力学能量是一个状态函数。系统的热力学能量可以表示为(6)如果热力学能量被看作t，v的函数明显地2.5准静态过程和可逆过程工作和流程与热力学能量不同，环境对系统所做的功与系统变化的路径有关。以图2.2为例来说明工作的过程。(外部压力)系统中的气体可以来自不同的过程。过程不同，环境工作也不同。1.自由膨胀2.外部压力总是保持不变。3.反复等外压膨胀4.无限次恒定外压膨胀上面的例子表明工作与方式有关。因此，问也与方式有关。准静态过程过程4的特征：无限次恒压膨胀。如果每次膨胀所需的时间是无限的，系统在每次膨胀的瞬间都无限接近平衡。它们的过程是准静态的和准静态的。如果系统被再次压缩以返回其原始状态1.一次性压缩2.多重压缩3.无限多重压缩明显地从上面可以看出，如果系统在无限多次的膨胀和压缩过程中没有由于摩擦而产生的能量耗散，那么系统在整个过程结束时将会回到其原始状态，并且不会在环境上留下任何痕迹。可逆过程(和不可逆过程)当系统经历从状态(1)到状态(2)的变化过程时，如果能采取任何方法使系统恢复到其原始状态，同时环境也能恢复到其原始状态，则原始过程(1) (2)被称为可逆过程，否则它就是不可逆过程。上述例子中的准静态过程可以称为可逆过程，不考虑摩擦引起的能量耗散。可逆过程做的工作最多。实际发生的近可逆过程的例子1.恒压相变过程2.可逆条件下可逆电池放电过程公式3.合理安排化学反应过程诸如注意：1.实际过程是不可逆的。上面的例子仅仅意味着在某些条件下，系统有一个特定的变化过