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1、物理化学物理化学(w l hu xu)核心教程核心教程第一页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.1 低压(dy)气体的经验定律1.Boyle 定律(dngl)2.Charles-Gay-Lussac 定律(dngl)3.Avogadro 定律第1页/共44页第二页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.Boyle 定律(dngl)在较低压力(yl)下,保持气体(qt)的温度和物质的量不变,气体的体积与压力的乘积为常数。不变第2页/共44页第三页,共44页。2023/2/272023/2/27 2.Charles-Gay-Lussac 定律(dngl)保持气体(q
2、t)的压力和物质的量不变,气体(qt)的体积与热力学温度成正比。不变第3页/共44页第四页,共44页。2023/2/272023/2/27 3.Avogadro 定律(dngl)在相同(xin tn)温度和压力下,相同体积的任何气体(qt),含有的气体(qt)分子数相同。不变相同的T,p下 1 mol 任何气体所占有的体积相同。第4页/共44页第五页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.2 理想气体(l xin q t)及其状态方程1.理想气体(l xin q t)的微观模型2.理想气体(l xin q t)的状态方程第5页/共44页第六页,共44页。2023/2/272023
3、/2/27 1.理想气体的微观(wigun)模型 理想气体(l xin q t)分子之间的相互作用可忽略不计 理想气体分子(fnz)的自身体积可忽略不计 高温和低压下的气体近似可看作理想气体 难液化的气体适用的压力范围较宽 例如,在较大的压力范围内都可以作为理想气体处理。第6页/共44页第七页,共44页。2023/2/272023/2/27 2.理想气体(l xin q t)的状态方程 联系(linx)p,V,T 三者之间关系的方程称为状态方程理想气体(l xin q t)的状态方程为摩尔气体常量第7页/共44页第八页,共44页。2023/2/272023/2/27 2.理想气体(l xin
4、q t)的状态方程理想气体(l xin q t)的状态方程的推导(1)等温(2)等压(1)(2)由(1)(2)得:第8页/共44页第九页,共44页。2023/2/272023/2/27 2.理想气体(l xin q t)的状态方程理想气体的摩尔(m r)气体常量的准确数值可以由实验测定。在不同(b tn)温度下时,当同一数值第9页/共44页第十页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.3 理想气体(l xin q t)混合物1.混合物组成(z chn)表示法2.Dalton 分压定律(dngl)3.Amagat 分体积定律第10页/共44页第十一页,共44页。2023/2/272
5、023/2/27 1.3 理想气体(l xin q t)混合物气体(qt)混合物 若干种气体混合在一起(yq),形成均匀的气体混合物第11页/共44页第十二页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.3.1 混合物组成(z chn)表示法1.B 的摩尔(m r)分数称为B的摩尔分数或物质的量分数单位为1混合物中所有物质的量的加和表示气相中B的摩尔分数第12页/共44页第十三页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.3.1 混合物组成(z chn)表示法2.B 的体积(tj)分数称为B的体积分数单位为1混合(hnh)前纯B的体积混合前各纯组分体积的加和第13页/共44页
6、第十四页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.3.1 混合物组成(z chn)表示法3.B 的质量(zhling)分数称为B的质量分数单位为1B组分(zfn)的质量混合物中所有物质质量的加和第14页/共44页第十五页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.3.2 Dalton 分压定律(dngl)B的分压等于相同(xin tn)T,V 下单独存在时的压力总压等于相同(xin tn)T,V 下,各组分的分压之和第15页/共44页第十六页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.3.3 Amagat 分体积(tj)定律在相同的温度 T 和总压力(yl)p
7、的条件下 V,p是系统(xtng)的总体积和压力,Amagat 分体积定律原则上只适用于理想气体第16页/共44页第十七页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.4 真实气体的液化(yhu)1.液体(yt)的饱和蒸汽压2.临界状态(ln ji zhun ti)3.真实气体的p-Vm图第17页/共44页第十八页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.4.1 液体(yt)的饱和蒸汽压在密闭(mb)容器内,蒸发(zhngf)与凝聚速率相等时,在一定温度下,这时蒸汽的压力,称为达气-液平衡,该温度时的饱和蒸汽压饱和蒸汽压是物质的性质第18页/共44页第十九页,共44页。20
8、23/2/272023/2/27 1.4.2 临界状态(ln ji zhun ti)临界温度(ln ji wn d)在该温度之上无论(wln)用多大压力,无法使气体液化临界状态气-液界面消失,混为一体临界参数高于 称为超临界流体超临界流体第19页/共44页第二十页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.4.3 真实气体的 p-Vm 图pgl第20页/共44页第二十一页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.4.3 真实气体的 p-Vm 图pglC为临界点第21页/共44页第二十二页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.5 真实气体的状态方程1.van
9、 der Waals 方程(fngchng)2.从临界(ln ji)参数求 a,b 值 3.van der Waals 方程(fngchng)的应用4.Virial 型方程第22页/共44页第二十三页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.5.1 van der Waals 方程(fngchng)荷兰(h ln)科学家 van der Waals 对理想气体状态方程作了两项修正:(1)1 mol 分子自身(zshn)占有体积为 b(2)1 mol 分子之间有作用力,即内压力van der Waals 方程为:第23页/共44页第二十四页,共44页。2023/2/272023/2/
10、27 1.5.1 van der Waals 方程(fngchng)van der Waals 方程(fngchng)为:或 a,b 称为(chn wi)van der Waals 常数a 的单位:b 的单位:第24页/共44页第二十五页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.5.2 从临界(ln ji)参数求 a,b 值van der Waals 方程(fngchng)改写为:第25页/共44页第二十六页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.5.3 van der Waals方程(fngchng)的应用(2)已知 的值,(1)计算 等温线 气-液平衡(pnghn
11、g)线出现极大值和极小值 找出真实气体 之间的关系第26页/共44页第二十七页,共44页。2023/2/272023/2/27 1.5.4 Virial 方程(fngchng)式中:称为(chn wi)第一、第二、第三、Virial系数第27页/共44页第二十八页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题1如何使一个尚未破裂而被打瘪的乒乓球恢复原状?采用了什么(shn me)原理?第28页/共44页第二十九页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题答:答:将打瘪的乒乓球浸泡在热水中,使球壁变软,球中空气(kngq)受热膨胀,可使其恢复球状。采用的是气体热胀冷缩的原
12、理第29页/共44页第三十页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题2在两个密封、绝热、体积相等的容器中,装有压力相等的某种理想气体(qt)。试问,这两容器中气体(qt)的温度是否相等?第30页/共44页第三十一页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题 不一定相等。根据理想气体状态方程,若物质(wzh)的量相同,则温度才会相等。答:答:第31页/共44页第三十二页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题3 两个容积相同的玻璃球内充满氮气,两球中 间(zhngjin)用 一 玻 管 相 通,管 中 间(zhngjin)有一汞滴将两边的气体分开。当
13、左球的温度为273K,右球的温度为293K时,汞滴处在中间(zhngjin)达成平衡。试问:(1)若将左球温度升高(shn o)10K,中间汞滴向哪边移动?(2)若两球温度(wnd)同时都升高10K,中间汞滴向哪边移动?273K293K第32页/共44页第三十三页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题答:答:(1)左球温度升高,气体体积膨胀,推动汞滴向右边(yu bian)移动。(2)两球温度同时都升高10K,汞滴仍向右边移动。因为左边(zu bian)起始温度低,升高 10K所 占 比 例 比 右 边 大,283/273大 于303/293,所以膨胀的体积(或保持体积不变时
14、增加的压力)左边(zu bian)比右边大。第33页/共44页第三十四页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题4在大气压力下,将沸腾的开水迅速倒入保温瓶中,达保温瓶容积(rngj)的0.7左右,迅速盖上软木塞,防止保温瓶漏气,并迅速放开手。请估计会发生什么现象?第34页/共44页第三十五页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题答:答:软木塞会崩出。这是因为保温瓶中的剩余气体被热水(r shu)加热后膨胀,当与迅速蒸发的水汽的压力加在一起,大于外面压力时,就会使软木塞崩出。如果软木塞盖得太紧,甚至会使保温瓶爆炸。防止的方法是灌开水时不要太快,且要将保温瓶灌满。
15、第35页/共44页第三十六页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题5当纯物质的气、液两相处于平衡时,不断升高(shn o)平衡温度,这时处于平衡状态的气-液两相的摩尔体积将如何变化?第36页/共44页第三十七页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题答:答:升高(shn o)平衡温度,纯物的饱和蒸汽压也升高(shn o)。但由于液体的可压缩性较小,热膨胀仍占主要地位,所以液体的摩尔体积会随着温度的升高(shn o)而升高(shn o)。而蒸汽易被压缩,当饱和蒸汽压变大时,气体的摩尔体积会变小。随着平衡温度的不断升高,气体与液体的摩尔体积逐渐接近。当气体的摩尔体
16、积与液体的摩尔体积相等(xingdng)时,这时的温度就是临界温度。第37页/共44页第三十八页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题6.有一种(y zhn)气体的状态方程为:(b为 大 于 零 的 常 数(chngsh)试分析这种气体(qt)与理想气体(qt)有何不同?将这种气体进行真空膨胀,气体的温度会不会下降?第38页/共44页第三十九页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题答:答:将气体(qt)的状态方程改写为:与理想气体的状态方程相比(xin b),只校正了体积项,未校正压力项。说明这种气体分子自身的体积不能忽略,而分子之间的相互作用力可以忽略不计
17、。所以,将这种气体进行真空膨胀时,温度不会下降。第39页/共44页第四十页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题 7.如何(rh)定义气体的临界温度和临界压力?第40页/共44页第四十一页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题答:答:在真实气体的 图上 当气-液两相共存的线段(xindun)缩成一个点时,称这点为临界点。这时的温度为临界温度,这时的压力为临界压力。临界压力是指在该临界温度时能使气体液化的最低压力。第41页/共44页第四十二页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题8处于临界点以上的各物质(wzh)有何共同特性?第42页/共44页第四十三页,共44页。2023/2/272023/2/27 思考题答:答:这时气-液界面(jimin)消失,液体和气体的摩尔体积相等,成为一种既不同于液相、又不同于气相的特殊流体,称为超流体。第43页/共44页第四十四页,共44页。