《物理化学》第1章 第1讲(绪言,1.1,1.2,1.3).ppt

1、1,物 理 化 学 刘 国 群 中原工学院材料与化工学院 应用化学系,2,绪 言,一、物理化学研究的目的及其内容 二、物理化学研究的方法 三、物理化学与其他专业的关系 四、主要章节及学时分配 五、课程考核方式 六、教材及参考书 七、物理化学的学习方法,3,化学与物理学之间的关系非常紧密。一方面，化学过程总是包含或伴随有物理过程。另一方面，构成物质的微观粒子的物理运动形态（电子的运动、原子的振动等）则决定了物质的化学反应性质。 物理化学是从研究化学现象和物理现象的相互联系入手，应用物理学的实验方法来探索物质性质和结构的关系，探求化学反应过程中具有普遍性规律的一门科学。,4,一、物理化学研究的目的

2、及其内容 物理化学的研究目的在于，探求物质变化的基本规律，并用以解决生产实践和科学实验中的有关问题。其研究内容主要包括三个方面： 1）化学反应的方向与限度以及能量的衡算，即化学热力学 2）化学反应的速率与机理，即化学动力学 3）物质结构与性能的关系,5,二、物理化学研究的方法 1）热力学方法：研究的对象是大量原子、分子的平均行为或其总体表现，只从系统的始终态来研究系统的变化，不涉及物质内部结构及过程机理； 2）量子力学方法：研究对象是单个原子或分子，引入量子概念来描述微观粒子的运动状态，探讨物质结构和性质的关系； 3）统计力学方法：研究对象既包括单个微观粒子，也包括大量微观粒子，是微观性质和宏

3、观性质联系的纽带。,6,三、物理化学与其他专业的关系 1）物理化学与高分子有机化学相结合发展成为高分子材料科学； 2）金属熔炼过程涉及到相平衡； 3）材料的表面改性涉及到界面效应； 4）熔盐电解法制取金属铝、金属腐蚀及防护以及燃料电池、锂离子电池的研制和生产涉及电化学； 5）纳米材料的制备、性质的表征也离不开物理化学；,7,四、主要章节及学时分配（共45学时） 绪言 (1 学时) 第1章 热力学第一定律 (7 学时) 第2章 热力学第二定律 (8 学时) 第3章 化学平衡 (4 学时) 第4章 液态混合物和溶液 (6 学时) 第5章 相平衡 (4 学时) 第8章 界面现象 (4 学时) 实验

4、(6 学时) 习题课、复习总结 (2 学时),8,五、课程考核方式 1、院考课 2、期末考核： 闭卷考试，占80 %； 3、平时考核： 作业占6%； 实验占8%； 课堂考勤占6%。,9,六、教材及参考书 1. 教材： 物理化学程兰征、章燕豪 主编 （2007年2月 第3版）上海科学技术出版社 2. 参考书目： 物理化学傅献彩 主编 2006年 第5版 高等教育出版社 物理化学简明教程第4版 印永嘉 等 主编 2007年 高等教育出版社,10,七、物理化学的学习方法 1. 课前认真预习，课上认真听讲，课后认真复习。独立完成老师布置的作业。 2. 对于数学公式要掌握其适用条件及物理意义，对于数学推

5、导要明白其变换原理。 3. 通过课程的学习掌握科学的学习方法，培养科学研究的素养和能力。,11,第1章 热力学第一定律,热力学是一门严谨的学科，它的主要基础是热力学第一定律和第二定律。这两个定律都是经验规律，是人类长期生产实践和大量实验结果的归纳和总结。热力学第一定律涉及的是能量守恒及转化定律在热现象宏观过程中的具体表述，第二定律涉及的是在一定条件下自发过程的方向和限度问题，第三定律涉及的是物质在低温时性质变化的规律。,12,1.1 热力学研究的对象、方法及局限性,热力学的研究对象是由大量粒子所组成的宏观系统，它所涉及的系统性质（如温度T、压力p等）都是大量微观粒子集体的平均表现，而不涉及个别

6、粒子的行为；它只考虑系统从一个状态转变到另一个状态，而不考虑转变的机理和所需的时间，因而热力学的研究结论具有极大的普遍性。其局限性在于：1）不研究物质结构和变化机理；2）只研究平衡态；3）不涉及变化速率。,13,1.2 热力学的基本概念,在学习热力学的基本定律之前，要熟悉一些热力学中常见的概念和术语。只有这些基本概念掌握了，才有可能正确、灵活地解决实际问题。,1.2.1 系统和环境 用热力学方法处理问题时，被选定的研究对象称为系统；与系统有联系的其余部分称为环境。按照系统与环境之间的物质和能量传递关系，可将系统分为三类：敞开、封闭、隔离系统。,14,1.2.2 系统的性质 系统的宏观可测性质（

7、比如温度、压力、体积等）都属于系统的热力学性质，简称系统的性质。 系统的性质根据其与系统中物质的量的关系，可以分为两类： 1）广度性质，比如体积、质量； 2）强度性质，比如温度、压力； 这两类性质之间也有联系：广度性质（体积）除以物质的量就成为强度性质（摩尔体积）。,15,1.2.3 状态和状态函数 热力学用系统的性质来描述它的状态。系统的所有性质确定后，状态就完全确定。 确定系统状态的性质称为状态性质。状态性质之间都是相互联系、相互制约的，某一性质发生变化，其他性质也随之改变，前者称为状态变量，后者称为状态函数。状态函数与状态变量是相对的，可以互相替换。状态函数具有如下特点： 1）状态一经固

8、定，状态函数有确定的数值；,16,2）状态发生变化时，其状态函数的改变只由始态及终态决定，而与途径无关； 3）当系统经一循环过程恢复到原来的状态后，任何状态函数均不变； 4）任何一个状态函数都是其他状态变量的函数。 1.2.4 过程和途径 在一定条件下，系统从一个状态（始态）变化到另一个状态（终态）的经过，称为过程。完成这个过程的具体步骤，称为途径。几种常见过程如下：,17,1）等温过程：系统的始、终态温度相等，并等于环境的温度； 2）等压过程：系统的始、终态压力相等，并等于环境的压力； 3）等容过程：系统在刚性容器中发生的变化； 4）绝热过程：在变化过程中，系统与环境之间没有热交换； 5）循

9、环过程：系统从一个状态出发，经过一系列变化又回到原来的状态。,18,系统由同一始态变化到同一终态，可以通过不同的途径来完成。,19,1.2.5 热力学平衡态 热力学所研究的状态主要是平衡态（系统的宏观性质不随时间而改变）。热力学平衡态必须同时满足四个方面的平衡： 1）热平衡：系统各个部分与环境的温度均相等； 2）力平衡：系统的各个部分压力相等； 3）相平衡：当系统中不止一相时，各相的组成及数量不随时间而改变； 4）化学平衡：物质之间没有化学反应，系统的组成不随时间而改变。,20,1.3 热和功,1.3.1 热 由于系统与环境之间存在温度差而进行的能量传递形式称为热（Q）传递。系统吸热，Q为正值；系统放热，Q为负值。热不是状态函数。 1.3.2 功 除热以外，系统与环境之间其它形式的能量传递统称为功（W）。环境对系统所做的功为正值，系统对环境所做的功为负值。功也不是状态函数。,21,在热力学中，常将功分为体积功和非体积功（电功、表面功）。无论系统膨胀还是压缩，体积功的定义式均为：