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1、教 案2008 - 2009 学年 第 2学期学院系室 化学与环境工程系 课程名称 物 理 化学 安排学时 68 专业年级 07环境工程 主讲老师 贾 庆 超 安 阳 工 学 院绪论教学目的：驾驭志向气体状态方程的应用，志向气体的微观模型 驾驭混合志向气体的分压定律及分体积定律 驾驭饱和蒸气压的概念，熟识物质在临界状态的特性教学重点：志向气体状态方程、分压定律及分体积定律教学难点：饱和蒸气压教学方法：多媒体教学课时:21、什麽是物理化学 物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联络入手，来探求化学变更及相关的物理变更根本规律的一门科学。-付献彩 物理化学是化学科学中的一个重要分支学科。它是借助数
2、学、物理等根底科学的理论及其供给的试验手段，探讨化学科学中的原理和方法，探讨化学 体系行为最一般的宏观、微观规律和理论的学科，是化学的理论根底。2、物理化学的探讨内容(1)化学反响的方向、限度和能量效应 - 化学体系的平衡性质(2) 化学反响的速率和反响机理 - 化学体系的动态性质(3) 化学体系的微观构造和性质物理化学的分支学科化学热力学 统计力学 构造化学 化学动力学其他分支学科：电化学、外表及胶体化学、催化化学等。物理化学原理应用于不同的体系，则产生了物理有机化学、生物物理化学、材料物理化学、冶金物理化学等。3、物理化学的建立与开展第一阶段：1887-1920 s化学平衡和化学反响速率的
3、唯象规律的建立19世纪中叶热力学第肯定律和热力学第二定律的提出1850Wilhelmy 第一次定量测定反响速率1879质量作用定律建立1889Arrhenius 公式的建立和活化能概念1887德文“物理化学”杂志创刊1906 1912Nernst热定理和热力学第三定律的建立第二阶段：1920 s - 1960 s构造化学和量子化学的蓬勃开展和化学变更规律的微观探究1926量子力学建立 1927求解氢分子的薛定谔方程 1931价键理论建立 1932分子轨道理论建立 1935共振理论建立 1918提出双分子反响的碰撞理论 1935建立过渡态理论 1930提出链反响的动力学理论第三阶段：1960 s
4、 -由于激光技术和计算机技术的开展，物理化学各领域向更深度和广度开展宏观 微观静态 动态体相 表相平衡态 非平衡态物理化学的主要开展趋势与前沿强化了在分子程度上的 强化了对特殊集合态的精细物理化学的探讨 物理化学的探讨分子动态 分子设计工程; 外表界面 非平衡态(分子反响动力学; 物理化学 物理化学分子激发态谱学) 4、物理化学学科的战略地位(1)物理化学是化学科学的理论根底及重要组成学科(2)物理化学极大地扩大了化学探讨 的领域(3)物理化学促进相关学科的开展(4)物理化学与国计民生亲密相关(5)物理化学是培育化学相关或穿插的其它学科人才的必需 5、如何学好物理化学这门课重视运用数学方法和公
5、式、定律严格的阐述相结合处理问题时的抽象化和志向化留意概念深化思索肯定数量的习题娴熟地运用数学工具进步解题及运算的技巧加深对概念的理解和公式条件的运用探讨总结联络实际第一章 热力学第肯定律教学目的：驾驭热力学的根本概念热力学第肯定律叙述及数学表达式驾驭恒容热容、恒压热容的定义，并能正确运用这些根底热数据计算。 驾驭可逆过程的概念，针对志向气体的恒压、恒温、绝热等过程，驾驭可逆功的计算。驾驭标相变焓、准摩尔生成焓及标准摩尔燃烧焓的定义，正确应用这些根底热数据计算教学重点：热力学第肯定律及应用，相变更、化学反响热的计算过程。教学难点：可逆过程，设计途径。教学方法：多媒体教学课时:161.1热力学根
6、本概念 系统与环境系统（System）：在科学探讨时必需先确定探讨对象，把一局部物质与其余分开，这种分别可以是实际的，也可以是想象的。这种被划定的探讨对象称为系统，亦称为物系或体系。环境（surroundings）：与系统亲密相关、有互相作用或影响所能及的局部称为环境。 系统的分类：根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类：（1）封闭系统（closed system） 系统与环境之间无物质交换，但有能量交换（2）隔离系统（isolated system） 系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故又称为孤立系统。有时把封闭系统和系统影响所及的环境一起作为孤立系统来考虑。（3）放开系统（ope
7、n system） 系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换。 状态和状态函数：状态（state）指静止的，系统内部的状态。也称热力学状态。 用各种宏观性质来描绘状态 如T，P，V，r 等 热力学用系统全部性质描绘系统所处的状态 状态固定，系统的全部热力学性质也就确定了例如，志向气体 T，P，V，n状态函数（state function）系统的各种性质，它们 均随状态确定而确定。 如 T, p, V，n 又如肯定量n的理气 V=nRT/P V= f (T, P) T, P是独立变量推广 X=f (x, y) 其变更只与始末态有关，与变更途径无关。状态函数的重要特征：状态确定了，全部的状态函数也
8、就确定了。状态函数在数学上具有全微分的性质。 系统的性质： 广度量（extensive properties）： 性质的数值与系统的物质的数量成正比，如V、m、熵等。这种性质具有加和性强度量（intensive properties）： 性质的数值与系统中物质的数量无关，不具有加和性，如温度、压力等。 两个广度量之比为强度量。如 r = m/n 热力学平衡态：当系统的诸性质不随时间而变更，则系统就处于热力学平衡态，它包括下列几个平衡：热平衡（thermal equilibrium）：系统各局部温度相等。力学平衡（mechanical equilibrium）： 系统各部的压力都相等，边界不再挪
9、动。如有刚壁存在，虽双方压力不等，但也能保持力学平衡。相平衡（phase equilibrium）： 多相共存时，各相的组成和数量不随时间而变更。化学平衡（chemical equilibrium ）：反响系统中各物的数量不再随时间而变更。 过程和途径：系统从一个状态变到另一个状态，称为过程。前一个状态成为始态，后一个状态称为末态。实现这一过程的详细步骤称为途径。系统变更过程的类型：（1）单纯 pVT 变更 （2）相变更 （3）化学变更常见过程： 恒温过程 T=T环境=定值 恒压过程 P=P环境=定值 恒容过程 V=定值 绝热过程 无热交换 循环过程 始态始态 热：系统与环境之间因温差而传递的
10、能量称为热，用符号Q 表示。Q的取号：系统吸热，Q0；系统放热，Q0；系统对环境作功，W Q2 ，所以系统的末态温度应不低于0 。过程（2）可以进展完全。 而 Q1 Q2 + Q2 ，则过程（3）不行能进展完全，即冰不能完全熔化，故系统末态温度应不高于0 。 所以，系统末态的温度为0。 水从50降温到0放出的热量Q1 ，一局部供给给冰从20升温到0所需的热量Q2 ，一局部使质量为m3的冰熔化，即： Q3 =H3 =U3 = m3fush Q3 + Q2 = Q1 m3 = ( Q1 Q2)/ fush =(209.2 32)/3333g =532 g 则剩余的冰为800g 532g = 268
11、g 水为1000g532g = 1.532g2. 相变焓与温度的关系例：已知水(H2O,l)在100时的摩尔蒸发焓DvapH=40.668kJmol-1。水和水蒸气在25100的平均定压摩尔热容分别为Cp,m(H2O,l)=75.75 Jmol-1 K-1 和Cp,m(H2O,g)=33.76 Jmol-1 K-1 ,求25时水的摩尔蒸发焓。解：过程1 凝合相升温过程 H1= Cp,m(H2O,l)（100 25） =5681.25 Jmol1过程2 可逆相变过程 H2= vapHm(100) =40.668 kJ mol1过程3 气相降温过程 H3= Cp,m(H2O,g)（ 25 100）
12、 =2532 J mol1vapHm(25 ) =H1+H2+H3= 43.82kJ mol1 总结：DvapHm(T2) = DH1+ DH2+ DH3 = DvapHm(T1)+ Cp,m(H2O,g) Cp,m(H2O,l) DT = DvapHm(T1) + DCp,m DT一般状况：1.9 化学计量数,反响进度和标准摩尔反响焓1. 化学计量数 2H2 + O2 = 2H2O 写成： 0 = 2H2 O2+ 2H2O aA + bB = yY + zZ 写成： 0 = aA bB + yY + zZ 这里nB为B组分化学计量数，而 n A= a , n B= b ， n Y= y， n
13、 Z= z 2. 反响进度（extent of reaction ）对于反响 2H2+O2=2H2O 如有2摩尔氢气和1摩尔氧气反响生成1摩尔水，即按计量式进展一个单位反响，我们说反响完成了一个进度。设某反响 引入反响进度的优点： 在反响进展到随意时刻，可以用任一反响物或生成物来表示反响进展的程度，所得的值都是一样的，反响进度被应用于反响热的计算、化学平衡和反响速率的定义等方面。应用反响进度，必需与化学反响计量方程相对应。3. 摩尔反响焓反响焓DrH是指恒温恒压下化学反响过程中的焓变。如反响 2H2 + O2 = 2H2ODrHn水H*m(水) n氢气H*m(氢气) n氧气H*m(氧气） 摩尔
14、反响焓：完成一个进度的反响的反响焓，即反响焓与反响进度变之比 DrHm DrH/Dx4. 标准摩尔反响焓标准态：在温度T和标准压力p （101325Pa）下物质所处的特定状态。气体的标准态：压力为 的志向气体，是假想态。固体、液体的标准态：压力为 的纯固体或纯液体。标准摩尔反响焓：各反响组分都处于标准态下的摩尔反响焓。用DrHm表示。在同样温度时： DrHm DrHm （常压下）1.10 标准摩尔反响焓的计算 标准摩尔生成焓及有标准摩尔生成焓计算标准摩尔反响焓 标准摩尔燃烧焓和用标准摩尔燃烧焓计算标准摩尔反响焓 标准摩尔反响焓随温度的变更基希霍夫公式1. 标准摩尔生成焓在标准压力下，反响温度时
15、，由最稳定的单质合成标准状态下一摩尔物质的焓变，称为该物质的标准摩尔生成焓，用下述符号表示：（物质，相态）没有规定温度，一般298.15 K时的数据有表可查。（稳定单质）= 0利用各物质的摩尔生成焓求化学反响焓变：3.标准摩尔燃烧焓在标准压力下，反响温度时，物质B完全氧化成一样温度的指定产物时的焓变称为标准摩尔燃烧焓（Standard molar enthalpy of combustion下标“c”表示combustion。上标“$”表示各物均处于标准压力下。下标“m”表示反响进度为1 mol时。指定产物通常规定为：298.15 K时的燃烧焓值有表可查。化学反响的焓变值等于各反响物燃烧焓的总
16、和减去各产物燃烧焓的总和。用这种方法可以求一些不能由单质干脆合成的有机物的生成焓。例如：在298.15 K和标准压力下：该反响的反响焓变就是甲醇的生成焓，则： 4.标准摩尔反响焓随温度的变更DrH m(T2) DrH m(T1) DH1 DH2 例：已知CH3COOH(g), CH4(g), CO2 (g),的平均定压热容 分别为52.3Jmol1K 1, 37.7Jmol 1K 1，31.4Jmol 1K 1 。试由附录中的各化合物的标准摩尔生成焓计算1000K时下列反响的DrHm。 CH3COOH(g)CH4(g)CO2 (g)DrHm(1000k) = DrHm(25)DH1DH2DH3
17、 = DfHm(CH4, g, 25) +DfHm(CO2, g, 25) DfHm(CH3COOH, g, 25) + (37.7+31.4 52.3)(1000 373.15 25)10-3kJmol1 = 24.3 kJmol15. 恒容反响热与恒压反响热的关系或 当反响进度为1 mol 时：例：25 下，密闭恒容的容器中有10g固体萘C10H8(s)在过量的O2(g)中完全燃烧成CO2 (g)和H2O(l)。过程放热401.727kJ。求： (1) C10H8(s)12O2(g)10CO2 (g)4H2O(l)的反响进度。 (2) C10H8(s)的DcUm (3) C10H8(s)的
18、DcHm解： Dx = n = m/M = (10/128)mol= 0.078mol DcUm=QV/Dx =(401.727/0.078)kJmol1 =5150 kJmol1 DcHm DcUm Dn(g) RT5150+(1012)8.315(25+273.15)103 kJmol15160kJmol16. 燃烧和爆炸反响的最高温度例：甲烷(CH4, g)与理论量二倍的空气混合，始态温度25，在常压(p100kPa)下燃烧，求燃烧产物所能到达的最高温度。设空气中氧气的摩尔分数为0.21，其余为氮气，所需数据查附录。解：甲烷(CH4,g)的燃烧反响为 CH4(g)+2O2(g)CO2(g
19、)+2H2O(g)先求反响的DrHm，可以用各反响组分的DfHm来计算DrHm，但我们这里用DcHm(CH4,g)来计算DrHmDrHm = DcHm(CH4,g)+ 2DvapHm(H2O) =802.286kJ对于含1mol甲烷(CH4,g) 的系统，含氧气4mol，氮气4/0.210.79mol=15.05mol，则始态T0=298.15K TCH4(g)1mol,O2 (g) 4mol CO2(g)1mol, H2O (g) 2molN2 (g) 15.05mol O2 (g) 2mol,N2 (g) 15.05mol T0=298.15KCO2(g)1mol, H2O (g) 2mo
20、lO2 (g) 2mol,N2 (g) 15.05molQp= DH = DrHm + DH2 =0Qp= DH = DrHm + DH2 =0将附录八中的CO2(g) , H2O(g) ,O2(g) ,N2 (g)的定压摩尔热容Cp,m= a+bT+cT2代入上式 。 再代入方程DrHm+ DH2= 0 ，解T，得 T =1477K即最高火焰温度就是恒压绝热反响所能到达的最高温度。而最高爆炸温度就是恒容绝热反响所能到达的最高温度。1.11 节流膨胀与焦耳-汤姆逊效应1. 焦耳-汤姆逊试验在一个圆形绝热筒的中部有一个多孔塞和小孔，使气体不能很快通过，并维持塞两边的压差。2. 节流膨胀的热力学特
21、征及焦-汤系数节流过程是在绝热筒中进展的，Q=0 ，所以：开场，环境将肯定量气体压缩时所作功（即以气体为系统得到的功）为气体通过小孔膨胀，对环境作功为节流过程是在绝热筒中进展的，Q=0 ，所以：在压缩和膨胀时系统净功的变更应当是两个功的代数和。节流膨胀过程是个等焓过程。DH = 0 称为焦-汤系数（Joule-Thomson coefficient),它表示经节流过程后，气体温度随压力的变更率。参考资料：1）物理化学(上、下)(第四版)，天津高校编（2002） 2）多媒体CAI物理化学，傅玉普等编(2000) 3）物理化学(上、下)南大，付献彩编(1990) 4）物理化学程兰征等编(1998)
22、 5）物理化学学习指导袁爱华等编(2002)6）物理化学解题指南肖衍繁等第二章热力学第二定律教学目的：理解热力学第二定律、第二定律的叙述和数学表达式驾驭熵增原理判据驾驭单纯pVT变更、相变、化学变更熵变计算驾驭PVT变更、相变更、化学变更A、G的计算 驾驭亥姆霍兹函数判据和吉布斯函数判据 理解热力学根本方程和麦克斯韦关系式应用克拉佩龙方程进展相关计算教学重点：热力学第二定律各种过程熵变的计算方法A、G的计算教学难点：卡诺循环、卡诺定律和推论可逆过程的设计热力学根本方程和麦克斯韦关系式教学方法：多媒体教学课时:182.1卡诺循环1824 年，法国工程师N.L.S.Carnot (17961832)设计了一个循环，以志向气体为工作物质，从高温热源汲取的热量，一局部通过志向热机用来对外做功W，另一局部的热量放给低温热源。这种循环称为卡诺循环。1mol 志向气体的卡诺循环在pV图上可以分为四步： 恒温可逆膨胀 DU1= 0 Q1 = W1= nRT1ln(V2 /V1) 绝热可逆膨胀 恒温可逆压缩 DU2= 0 Q2 = W2= nRT2ln(V4 /V3) 绝热可逆压缩 根据绝热可逆过程方程式将热机所作的功与所吸的热之比值称为热机效率,或称为热机转换系数，用h表示。h恒小于1。2.2 热