物理化学-热力学第一定律课件
110页1、1,1.1 热力学概论,1、热力学第一定律 变化过程中的能量转换的定量关系。 2、热力学第二定律 变化过程的方向和限度。 3、热力学第三定律规定熵,解决化学平衡的计算问题。,一、热力学的内容,在设计新的反应路线或试制新的化学产品时,变化的方向和限度问题,显然是十分重要的。只有确知存在反应的可能性的前提下,再去考虑反应的速率问题,否则将徒劳无功:如在上世纪末进行了从石墨制造金刚石的尝试,所有的实验都以失败告终。以后通过热力学计算知道,只有当压力超过15000倍时,石墨才有可能转变成金刚石。现在已经成功地实现了这个转变过程.,2,热力学的方法特点: 、研究对象为大量质点的宏观体系 即只研究物质的宏观性质,不考虑微观性质和个别分子的行为。 、只须知道系统的始、终态,既不管过程进行的机理,也无须知道其结构变化。 、在热力学研究中无时间概念,即不管(反应)变化速率。 例:根据热力学计算,金刚石可自发地变成石墨,但这个过程需用多少时间?发生变化的根本原因和机理?热力学中无法知道。,二、热力学的方法:逻辑推理法,3,1.2 基本概念,一、系统和环境 二、状态和状态函数 三、相 四、过程与途径 五、热
2、力学平衡系统,4,系统的分类:,一、系统和环境 System and Surroundings,系统:研究对象 环境:系统以外的,与系统有关的部分 系统与环境有实际的或想象的界面分开,5,系统和环境 例:,绝热壁,水,水蒸气,敞开系统,密闭系统,孤立系统,6,二、状态和状态函数State and State function,状态:系统的物理,化学性质的综合表现; 状态性质:系统处于某一状态时的性质,是系统本身所属的宏观物理量。 如:T,p, ,V,m, U,H,S,状态性质之间互相联系的,不是独立的,在数学上有函数关系,所以又称状态函数。 如:单相纯物质密闭系统V=f (T, p) 或 p=f (T,V),7,1. 状态函数的分类,容量性质:extensive properties 其数值与系统中物质的量成正比,且有加和性 如:Vini V(总)=V1+V2+,强度性质:intensive properties 其数值与系统中物质的量无关,且不具有加和性 如:T,p,,注意:1.pp1+ p2 与分压定律的区别 2.两个容量性质相除得强度性质。 如: m /V, Vm=V /n,8,
3、2. 状态函数的特点, 状态函数的改变量只与始、终态有关,与变化途径无关;,移项整理, 状态函数的微小变化可以用全微分表示。 如: p=f(T,V),9,系统中物理性质和化学性质完全均匀的部分称为相。可分为均相和复相。,三、相,10,系统状态发生的变化为过程,变化的具体步骤称为途径。按照系统中物质变化前后的状态过程可分为三类:,1、简单状态变化过程,2、相变过程:系统物态发生变化,如 气化(vapor):液气 熔化(fusion):固液 升华过程(sublimation):固气。 3、化学变化过程: 化学反应,四、过程与途径,11,25C, p,100C, 2p,25C, 2p,100C, p,定温过程( )T 定压过程( )p 定容过程( )V 循环过程,绝热过程等。如:,( )T,( )T,( )p,( )p,途径:( )T +( )p 或( )p +( )T,12,五、热力学平衡系统,系统与环境间 无物质、能量的交换,系统各状态性质均不随时间而变化时,称系统处于热力学平衡 热力学平衡系统必须同时处于下列四个平衡: 热平衡;机械平衡; 化学平衡;相平衡,13,1. 热平衡:ther
4、mal equilibrium 无绝热壁存在下,系统中各部分温度相同。 2. 机械平衡:mechanical equilibrium 系统中无刚壁存在时,系统中压力相同。 3. 化学平衡:chemical equilibrium 系统中无化学变化阻力存在时,系统的组成不随时间变化 4. 相平衡:phase equilibrium 系统中各相的数量和组成不随时间变化,14,能量守恒原理:能量不能无中生有,也不会无形消失。,1.3能量守恒热力学第一定律Conservation of energy,对于热力学系统而言,能量守恒原理就是热力学第一定律。热力学第一定律的说法很多,但都说明一个问题能量守恒。,能量可以从一种形式转换成另一种形式,如热和功的转换。但是,转换过程中,能量保持守恒。,15,热力学第一定律的经典表述:,不供给能量而可以连续不断对外做功的机器叫作第一类永动机。无数事实表明,第一类永动机不可能存在。,这种表述只是定性的, 不能定量的主要原因是测量热和功所用的单位不同,它们之间没有一定的当量关系。1840年左右, Joule和mayer 做了二十多年的大量实验后,得到了著名的热功
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