《热力学基础new》PPT课件.ppt

1、1,作业：P251，2 预习：P128145,2,绪 论,一. 化学研究的对象和内容,3,4,二. 化学在社会发展中的作用和地位 维持和提高人类衣、食、住、行质量的基础科学，是改善和制造物质世界的科学 社会发展的重要支柱 未来社会发展不可缺少的基础科学 三.大学化学内容、目的、任务 非化工类专业本科生的一门基础课,5,6,四.学习方法和要求 良好的学习习惯（预习、听讲、笔记、复习、作业、答疑） 考核方法： 一、平时成绩：40分 作业：每周一收、发一次作业，用16开单片纸。缺交1/3者不能参加考试。 实验课：实验报告使用实验报告纸，少于4个不能参加考试。 随堂测验，主要考查当堂讲过的内容 二、期

2、末成绩：60分,7,五.教材及参考书 1.现代化学基础，第二版，胡忠鲠主编，高等教育出版社。 2.普通化学，第五版，浙江大学编，高等教育出版社出版。 3.物理化学上、下册，第四版，天津大学编，高等教育出版社出版。 4.大学化学实验，自编,8,学时安排： 总学时 （72,课堂教学52： 第116周周一上午：162学时 第18周周三下午：82学时 第9周周三下午：3学时 第10周周三下午:1学时,实验教学20： 第10周周三下午：看录象2学时 第1116周周三下午：3学时6个实验,9,第一章 化学热力学基础与化学平衡,TiO2(s)+C(s)Ti (s)+CO2 (g) （1）在指定的反应条件下，

3、估计预期的反应能否发生？ （2）在指定的反应条件下，反应的理论转化率是多少？ （3） 化学反应吸收或释放的热量怎样？ 化学热力学：研究化学现象和化学过程有关的物理现象 主要内容：热力学第一定律（能量转换） 热力学第二定律（化学变化的方向和限度 及化学平衡和相平衡,10,1.1 气体的 pVT 关系,1.1.1 理想气体定律 理想气体条件 分子之间无相互作用力 分子本身不占有体积 实际气体： 高温低压条件下实际气体，近似为理想气体,11,1.理想气体状态方程 pV = nRT 讨论： 单位： pPa；Vm3；nmol；TK； R摩尔气体常数，R = 8.314Jmol-1K-1 适用条件 ：理想

4、气体、高温低压下的实际气体 气体状态方程的其它表达形式 ： 摩尔体积：VmV/n，pVmRT 气体的物质的量：nm/M， pV(m/M)RT 气体的密度：m/V，p(/M)RT,12,例1-1 用管道输送天然气，当输送压力为200kPa，温度为25，管道内天然气的密度为多少？假设天然气可看作是纯甲烷,13,2. 理想气体混合物的分压定律 （1）道尔顿气体分压定律（law of partial pressure） 分压力：相同温度下，个别气体单独存在且具有与混合气体相同体积时，该气体所具有的压力 数学表示,14,例1-2 今有104.365kPa,温度为300K的含水蒸气的烃类混合气体，其中水蒸

5、气的分压为3.167kPa。现欲得到除去水蒸气的1kmol干烃类混合气体，试求： （1）应从湿烃混合气体中除去水蒸气的物质的量； （2）所需湿烃类混合气体的初始体积,15,1.1.2 气体的液化及临界状态,1、气体液化的条件 2、液体的饱和蒸气压 （1）物质的本性 （2）温度的函数 （3）液体的沸点 3、临界状态,16,作业：P1693 预习：P141148,17,1.2 热力学第一定律与热化学 1.2.1 基本概念与术语 1. 系统和环境(system and surrounding ) 隔离系统 (isolated system) ：与环境无物质和能量交换 封闭系统 (closed sys

6、tem) ：与环境有能量交换，无物质交换 敞开系统 (open system) ：与环境有物质和能量交换,18,2. 状态（state）和状态函数（state function） （1） 状态函数的特点： 单值函数 状态函数的变化值只取决于状态变化的始态和终态，与系统在这两个状态间变化的细节无关。 状态函数在数学上具有全微分的性质,19,2）状态函数的类型： 广度性质（容积性质）：数值大小与系统中物质的量成正比，具有加和性 强度性质：数值大小与系统中物质的量无关，不具有加和性 平衡态：热平衡、力平衡、相平衡、化学平衡,20,3. 过程和途径 简单的状态参量变化过程： 等温过程 、等压过程 、等

7、容过程 、绝热过程 、循环过程 相变化过程 化学变化过程,21,4. 热力学能（内能）（thermodynamic energy or internal energy） : U 内能：系统内部能量 （1）热力学能是体系的一种性质，是状态函数 （2）广度性质，具有加和性 （3）一定量的理想气体：内能仅是温度的函数 （4）热力学能的绝对值无法测知。其变化值U=U2-U1可用热和功来度量。 （5）单位：J,22,5. 热和功（heat and work） 热 Q ：系统与环境因温度不同而传递的能量 正负值规定： 系统吸热为正值，Q0 系统放热为负值，Q0 热不是状态函数。 Q,热的类型,23,功W

8、：系统与环境间除热之外的其它能量传递形式 正负值规定： 系统从环境得到功为正值，W0； 系统对环境做功为负值，W0。 分为体积功和非体积功 功不是状态函数。 W、 W,24,体积功（volume work）计算： 带活塞的气缸中的气体为系统,W,p外dV,体积功的定义式,25,讨论,对于宏观过程： 当系统向真空中自由膨胀：P外=0, 等容过程： 等外压过程： （环境的压力恒定,W=-P外dV,26,例1-3 始态T=300K，p1=150kPa的某理想气体，n=2mol，经过下属两不同途径等温膨胀到同样的末态，其p2=50kPa。求两途径的体积功。 反抗50kPa的恒外压一次膨胀到末态； 先反

9、抗100kPa的恒外压膨胀到中间平衡态，再反抗50kPa的外压膨胀到末态,27,28,两种不同过程的体积功示意图,29,30,系统沿原途径回到原状态时，系统和环境都恢复原状（系统和环境都没有功、热和物质的损失,6. 可逆过程（reversible process,31,可逆过程特点 （1）一个相等 等温可逆膨胀过程中，体系对外做功最大；等温可逆压缩过程中，环境对体系做功最小。膨胀功与压缩功数值上相等。 （2）二个复原 经过可逆过程后，体系与环境都恢复了原状。 （3）三个无限 体系与环境的压力始终是相差一个无限小量dp，过程变化无限缓慢，每一瞬间体系与环境无限接近平衡。 （4）可逆体积功,32,

10、作业：P1692，4 预习：P148160,33,1.2.2 热力学第一定律（the first law of thermodynamics） 1. 数学表达式 U = Q + W 微变过程：dU=Q+ W （1）孤立系统：内能守恒 U = 0 （2）始终态相同的两个过程： Q1+ W1= Q2 + W2 （3）第一类永动机：不可能制成,34,2. 恒容热、恒压热，焓（enthalpy） （1）恒容热： QV QV = U （封闭系统，dV=0, W=0） （2）恒压热与焓： QP QP = H （封闭系统，dp=0, W=0） H：焓变 焓H = U + pV，H是状态函数，容量性质 焓的绝

11、对值无法确定 理想气体的焓：单纯 p、V、T变化 在恒压、不做非体积功时QP = H,35,1.2.3 热容（heat capacity）：C 1.定义 C =Q/dT ； 单位：JK-1 热容定义的条件：不做非体积功、不发生化学变化和相变化的纯物质,36,定压热容Cp和定容热容Cv Cp=Qp/dT Cv=QV/dT 摩尔定压热容:Cp,m= Cp/n 摩尔定容热容:Cv,m =Cv/n 单位：JK-1mol-1,37,宏观过程:测算热效应,38,2.热容与温度的关系 Cp,m= a + bT + cT 2 + Cp,m= a + bT + c/T 2 + 近似处理：若温度变化不大，将Cp

12、看作不变 3. 理想气体的Cp、Cv 之间的关系 Cp-Cv=nR 或 Cp,m- Cv,m=R 凝聚相：CpCv；Cp,mCv,m,39,例1-4 一水平放置的绝热恒容的圆筒中装有无摩擦的绝热理想活塞,活塞左右两侧分别放有273K，100kpa，50dm3的理想气体A和B。A气体内部有一电热丝。通电缓慢加热左侧气体A使气体温度升高，并推动活塞压缩右侧气体B到最终压力增至200kpa。若分别以左室气体A、右室气体B和全部气体做系统时，Q、W和U分别是大于零、小于零还是等于零,40,1.2.4 热力学第一定律应用于理想气体 1. 理想气体的热力学能和焓 理想气体：Cp = dH /dT；Cv =

13、 dU /dT dH = nCp,m dT；dU= nCv,m dT 对理想气体变温过程,41,2.理想气体的等值过程 （1）等温过程 U0，H0，Q-W； 等温可逆膨胀压缩过程,42,2）等容过程 W=0,3） 等压过程 W-p外V-p外（V2-V1,4） 绝热过程 Q=0，U= W,43,例1-5始态T=298K，p1=500kPa，体积为1dm3的双原子理想气体，经过等温可逆膨胀到最后压力为100kPa。求等温可逆膨胀时的体积功及热力能的改变量和焓的改变量,44,复习,基本概念：系统（封闭、孤立、敞开）；状态函数，过程和途径，内能，热，功，可逆过程，恒压热、恒容热，焓 体积功的求法 理想

14、气体 U = Q + W QV = U； Q p = H,45,思考题： 1、在孤立系统中发生任何过程，都有U0，H0。 2、因为H=U+PV，所以焓是热力学能与体积功之和。 3、理想气体在等外压力下绝热膨胀，因为等外压力，所以QP=H，又因为绝热，所以QP=0，由此得QP=H =0。 4、一个容器中发生如下化学反应：H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g)，如反应前后T、P、V均未发生变化，设所有气体都是理想气体，因为理想气体U=f（T），所有该反应U0,46,作业：P170：12、15、16 预习：P171185,47,1.2.5 热化学概论（化学反应热效应,热化学：将热力学第一定律应用于

15、化学反应，讨论和计算化学反应热量问题 化学反应热：系统在不做非体积功的等温反应过程中所放出和吸收的热量,48,1.化学反应进度 （extent of reaction）： B- 例1-6：N2+3H2 = 2NH3当反应进行到某一程度时，刚好消耗掉1.5molH2，反应进度=？ 若1/2N2+3/2H2 = NH3反应进度=,定义： = nB/B d= dnB/B,49,反应进度：量度化学反应的进展程度。 对于确定的化学反应： 反应进度的数值与选用物质无关， 与反应 方程式的写法有关。 的取值：正整数、正分数、零。 =0 mol：反应刚刚开始 =1 mol：参加反应的物质按所给的化学计量关系

16、进行了一个单位的反应 摩尔反应焓变： rHm=rH/ ； rUm=rU/;单位 kJmol-1,50,2. 等压反应热与等容反应热关系,气体物质计量系数的代数和,51,例1-7 设有0.1molC7H16(l)在量热计中完全燃烧，在25测得放热480.4kJ。分别计算下列两个方程的rHm、rUm。 （1） C7H16(l)+11O27CO2(g)+8H2O(l) （2）2C7H16(l)+22O214CO2(g)+16H2O(l) 结论：方程式的写法不同，其rHm、rUm也不同。 思考：在27时，将100g Zn 溶于过量稀硫酸中，反应在开口烧杯或密闭容器中进行，何者放热较多？多出多少,52,

17、3. 标准状态（stantard state） 标准状态：在温度T 和标准压力p（100kPa）下的物质的状态。 液体和固体的标准态 ：任意温度、标准压力下的纯固体和纯液体 气体的标准态 ：任意温度、标准压力下具有理想气体性质的状态（气体混合物中，各气体分压为标准压力,53,溶液中溶质的标准态 ：任意温度、标准压力下的物质的质量摩尔浓度 具有理想稀溶液性质的状态 标准热力学函数：标准状态时的热力学函数 如：rHm-标准摩尔反应焓变,54,4. 热化学方程式 表明化学反应中物质的量关系和反应的热效应的化学反应方程式 （1）用rHm、 rUm注明热效应 H2 (g)+ 1/2O2(g)= H2O(

18、l) ；rHm=285.83kJmol1 （2）注明反应的温度和压力 （3）注明物质的聚集状态和晶型 g、l、s分别表示气、液、固态；用aq表示水溶液。 H2 (g) + 1/2O2(g) = H2O(g) ； rHm=241.8kJmol1 C（石墨）=C（金刚石） rHm=1.896kJmol1,55,4） 注明物质的量 Al(s)+3/4O2(g)=1/2Al2O3(s)；rHm=-837.9kJmol1 2Al(s) +3/2O2(g) = Al2O3(s) ；rHm=-1675.8kJmol1 Al2O3(s) =2Al(s) + 3/2O2(g) ；rHm=1675.8kJmol1

19、 注意：化学反应的热效应必须和反应方程式相对应,56,1.2.6 化学反应热效应的计算 1.盖斯定律（1840） 在恒温恒压条件下，系统只做体积功时，化学反应的热效应只与反应的始态和终态有关，而与反应的途径无关,57,C (石墨)+ 1/2 O2 (g)= CO (g) ； rHm1 C(石墨) + O2 (g) = CO2 (g) ；rHm2 CO(g)+1/2 O2(g)= CO2(g) ；rHm3,58,例1-8 已知下列反应的热效应： （1）C(石墨)+ O2 (g) = CO2 (g) rHm1= 393.5 kJmol1 （2） H2 (g) + 1/2O2 (g) = H2O(l

20、) rHm2=285.83 kJmol1 （3）C3H8(g) + 5O2 (g) = 3CO2 (g) +4H2O(l) rHm3=2219.9 kJmol1 求： 3C(石墨) + 4H2 (g) = C3H8(g) rHm=,59,2. 标准摩尔生成焓 (standard molar enthalpy of formation) （1）定义：在标准状态下，由最稳定单质生成 1 摩尔某物质时的焓变称为该物质的标准摩尔生成焓。 fHm ；单位kJmol1 ；温度一般取298.15K fHm（稳定单质）= 0 Na(s)+1/2 Cl2 (g)= NaCl(S) ；rHm=411.2kJmol

21、1 =fHm(NaCl,s) C(石墨) + H2(g) = 1/2 C2H4(g) ；rHm=+26.15kJmol1 fHm(C2H4，g) CO(g)+ 1/2 O2(g)= CO2(g) ； rHm fHm(CO2，g,60,fHm的意义 ：说明物质性质的重要数据 fHm(H+,aq)= 0 （2）由标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓,61,例1-9 利用标准摩尔生成焓数据，计算反应的标准摩尔反应焓。 CH4(g) + 2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) 计算反应rHm = ? 注意：公式不要颠倒、系数不要遗漏,62,3. 标准摩尔燃烧焓(combustion) （1）定义：在标准状态下，1 mol物质在氧气中完全燃烧时的反应焓变称为该物质的标准摩尔燃烧焓。 符号：cHm；单位kJmol1；温度一般 298.15K 完全燃烧 : 物质中的碳、氢、硫完全转变成CO2(g)、H2O(l)、SO2(g)。 O2完全燃烧产物的cHm =0,63,CH4(g) + 2O2(g)= CO2(g)+H2O(l) ；