物化01-01 (2)

1、熱力學(xué)研究的對(duì)象：由大量粒子組成的物熱力學(xué)研究的對(duì)象：由大量粒子組成的物體，又稱為宏觀體系。體，又稱為宏觀體系。只含有幾個(gè)幾百個(gè)分子的體系或者尺度達(dá)只含有幾個(gè)幾百個(gè)分子的體系或者尺度達(dá)到星系大小的體系都不是經(jīng)典熱力學(xué)研究到星系大小的體系都不是經(jīng)典熱力學(xué)研究的對(duì)象，但是這些體系的熱力學(xué)研究已經(jīng)的對(duì)象，但是這些體系的熱力學(xué)研究已經(jīng)誕生，前者為小系統(tǒng)熱力學(xué)研究的對(duì)象，誕生，前者為小系統(tǒng)熱力學(xué)研究的對(duì)象，后者是當(dāng)代宇宙學(xué)研究的對(duì)象。后者是當(dāng)代宇宙學(xué)研究的對(duì)象。物理化學(xué)中，除量子力學(xué)部分是研究少量物理化學(xué)中，除量子力學(xué)部分是研究少量分子構(gòu)成的微觀體系，其他部分的研究對(duì)分子構(gòu)成的微觀體系，其他部分的研究對(duì)

2、象都是宏觀體系。象都是宏觀體系。1.1. 物質(zhì)的狀態(tài)物質(zhì)的狀態(tài) 三種主要的聚集狀態(tài)：三種主要的聚集狀態(tài)： 氣體氣體(gas)、液體液體(liquid)和和固體固體(solid) 氣體和液體氣體和液體流體流體(fluid) 液體和固體液體和固體凝聚相凝聚相(condensed state)液晶液晶由棒狀或扁盤狀分子構(gòu)成的物質(zhì)可能由棒狀或扁盤狀分子構(gòu)成的物質(zhì)可能處于的一種特殊的狀態(tài)。有流動(dòng)性，但分子有處于的一種特殊的狀態(tài)。有流動(dòng)性，但分子有明顯的取向，具有能產(chǎn)生光的雙折射等晶體的明顯的取向，具有能產(chǎn)生光的雙折射等晶體的特性，是介于液體和固體之間的狀態(tài)。特性，是介于液體和固體之間的狀態(tài)。 等離子體等

3、離子體由大量離子和電子組成，是物由大量離子和電子組成，是物質(zhì)聚集的第四種狀態(tài)，占整個(gè)宇宙的質(zhì)聚集的第四種狀態(tài)，占整個(gè)宇宙的99%。1.1.物質(zhì)的狀態(tài)物質(zhì)的狀態(tài) 三種主要的聚集狀態(tài)三種主要的聚集狀態(tài) 氣體氣體（g）、）、液體液體（l）和和固體固體（s） 氣體和液體氣體和液體流體流體（fl ） 液體和固體液體和固體凝聚相凝聚相（cd）等離子體等離子體是電離的氣體，由大量自由電子和是電離的氣體，由大量自由電子和離子以及中性粒子組成，是物質(zhì)的一種奇特聚離子以及中性粒子組成，是物質(zhì)的一種奇特聚集態(tài)。集態(tài)。常見等離子體形態(tài)包括常見等離子體形態(tài)包括 人造等離子體人造等離子體地球上的地球上的等離子等離子體體太

4、空太空和和天體物理天體物理中的等中的等離子體離子體l熒光燈，霓虹燈燈管中的電離氣體 l核聚變實(shí)驗(yàn)中的高溫電離氣體 l電焊時(shí)產(chǎn)生的高溫電弧，電弧燈中的電弧 l火箭噴出的氣體 l等離子顯示器和電視 l太空飛船 重返地球時(shí)在飛船的熱屏蔽層 前端產(chǎn)生的等離子體 l在生產(chǎn)集成電路用來蝕刻電介質(zhì)層的等離子體 l等離子球 l圣艾爾摩之火 l火焰（上部的高溫部分） l閃電 l球狀閃電 l大氣層中的電離層 l極光 l中高層大氣閃電 l太陽和其他恒星（其中等離子體由于熱核聚變供給能量產(chǎn)生） l太陽風(fēng) l行星際物質(zhì)（存在于行星之間） l星際物質(zhì)（存在于恒星之間） l星系際物質(zhì)（存在于星系之間） l木衛(wèi)一與木星之間的

5、流量管 l吸積盤 l星際星云 物質(zhì)聚集的其它狀態(tài)物質(zhì)聚集的其它狀態(tài)玻色玻色-愛因斯坦凝聚體愛因斯坦凝聚體系統(tǒng)中的所有粒子都處系統(tǒng)中的所有粒子都處于相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。于相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。1924年就已經(jīng)由玻色和愛因年就已經(jīng)由玻色和愛因斯坦做出預(yù)言，但直到斯坦做出預(yù)言，但直到1995年，科學(xué)家采用激光年，科學(xué)家采用激光冷卻等技術(shù)才首次得到了處于玻色冷卻等技術(shù)才首次得到了處于玻色-愛因斯坦凝聚愛因斯坦凝聚態(tài)的銣原子蒸氣（態(tài)的銣原子蒸氣（2001年諾貝爾物理獎(jiǎng)），體系年諾貝爾物理獎(jiǎng)），體系中所有的銣原子都具有相同的動(dòng)能。中所有的銣原子都具有相同的動(dòng)能。中子態(tài)中子態(tài)中子星中子星超固態(tài)超固態(tài)白矮星白矮星2.2

6、.分子的運(yùn)動(dòng)分子的運(yùn)動(dòng) 物理化學(xué)研究的物質(zhì)由分子構(gòu)成的。物理化學(xué)研究的物質(zhì)由分子構(gòu)成的。 一方面分子處于永不休止的熱運(yùn)動(dòng)之中，一方面分子處于永不休止的熱運(yùn)動(dòng)之中，主要是分子的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)，主要是分子的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)，無序的起無序的起因因； 另一方面，分子間存在著色散力、偶極力另一方面，分子間存在著色散力、偶極力和誘導(dǎo)力，有時(shí)還可能有氫鍵或電荷轉(zhuǎn)移，電子和誘導(dǎo)力，有時(shí)還可能有氫鍵或電荷轉(zhuǎn)移，電子云之間還存在著斥力，云之間還存在著斥力，使分子趨向于有序排使分子趨向于有序排列列。3.3.兩類最基本的宏觀平衡性質(zhì)兩類最基本的宏觀平衡性質(zhì) pVT 關(guān)系關(guān)系，即一定數(shù)量物質(zhì)的壓力、即一定數(shù)量物質(zhì)的壓

7、力、體積和溫度間的依賴關(guān)系。體積和溫度間的依賴關(guān)系。 熱性質(zhì)熱性質(zhì)，主要是熱容、相變熱、生成主要是熱容、相變熱、生成熱、燃燒熱等；熵也是一個(gè)重要的熱性質(zhì)。熱、燃燒熱等；熵也是一個(gè)重要的熱性質(zhì)。它們是在宏觀層次應(yīng)用熱力學(xué)理論研究它們是在宏觀層次應(yīng)用熱力學(xué)理論研究平衡規(guī)律時(shí)，必須結(jié)合或輸入的平衡規(guī)律時(shí)，必須結(jié)合或輸入的物質(zhì)特性物質(zhì)特性。4.4.獲得物質(zhì)特性有三種方法獲得物質(zhì)特性有三種方法(1) 直接實(shí)驗(yàn)測(cè)定直接實(shí)驗(yàn)測(cè)定 pVT關(guān)系測(cè)定，量熱關(guān)系測(cè)定，量熱實(shí)驗(yàn)；光譜法測(cè)定分子的離解熱等。實(shí)驗(yàn)；光譜法測(cè)定分子的離解熱等。(2) 經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)方法經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)方法 構(gòu)作具有一定理論構(gòu)作具有一定理論基礎(chǔ)又經(jīng)過合

8、理簡(jiǎn)化的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，或是基礎(chǔ)又經(jīng)過合理簡(jiǎn)化的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停蚴怯幸欢ㄎ锢硪饬x的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。有一定物理意義的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?3) 理論方法理論方法 需要應(yīng)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)和量子需要應(yīng)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)和量子力學(xué)，屬于更深入的層次，即從微觀到宏力學(xué)，屬于更深入的層次，即從微觀到宏觀層次以及微觀層次的工作。觀層次以及微觀層次的工作。1.1.系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)系統(tǒng)所研究的對(duì)象所研究的對(duì)象( (物質(zhì)和空間物質(zhì)和空間) )環(huán)境環(huán)境系統(tǒng)以外的物質(zhì)和空間系統(tǒng)以外的物質(zhì)和空間1.1.系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)系統(tǒng)所研究的對(duì)象所研究的對(duì)象( (物質(zhì)和空間物質(zhì)和空間) )環(huán)境環(huán)境系統(tǒng)以外的物質(zhì)和空間系統(tǒng)以外的物質(zhì)和空間(1)(1)封

9、閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)有能量得失，無物質(zhì)進(jìn)出有能量得失，無物質(zhì)進(jìn)出(2)(2)敞開系統(tǒng)敞開系統(tǒng)有能量得失，有物質(zhì)進(jìn)出有能量得失，有物質(zhì)進(jìn)出(3)(3)孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)無能量得失，無物質(zhì)進(jìn)出無能量得失，無物質(zhì)進(jìn)出1.1.系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)系統(tǒng)所研究的對(duì)象所研究的對(duì)象( (物質(zhì)和空間物質(zhì)和空間) )環(huán)境環(huán)境系統(tǒng)以外的物質(zhì)和空間系統(tǒng)以外的物質(zhì)和空間(1)(1)封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)有能量得失，無物質(zhì)進(jìn)出有能量得失，無物質(zhì)進(jìn)出(2)(2)敞開系統(tǒng)敞開系統(tǒng)有能量得失，有物質(zhì)進(jìn)出有能量得失，有物質(zhì)進(jìn)出(3)(3)孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)無能量得失，無物質(zhì)進(jìn)出無能量得失，無物質(zhì)進(jìn)出相相指系統(tǒng)中具有完全相同的物理性質(zhì)指系統(tǒng)中

10、具有完全相同的物理性質(zhì)和化學(xué)組成的均勻部分。和化學(xué)組成的均勻部分。2.狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)狀態(tài)系統(tǒng)一切性質(zhì)的總和系統(tǒng)一切性質(zhì)的總和狀態(tài)有平衡態(tài)和非平衡態(tài)兩類。狀態(tài)有平衡態(tài)和非平衡態(tài)兩類。平衡態(tài)：平衡態(tài)：系統(tǒng)中不存在由于外部原因產(chǎn)生的穩(wěn)恒系統(tǒng)中不存在由于外部原因產(chǎn)生的穩(wěn)恒流，且所有性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。流，且所有性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。如非特別指明，狀態(tài)即指平衡態(tài)如非特別指明，狀態(tài)即指平衡態(tài)平衡態(tài)是一種特殊的狀態(tài)。平衡態(tài)是一種特殊的狀態(tài)。用經(jīng)典力學(xué)可以確定系統(tǒng)的任意狀態(tài)：用經(jīng)典力學(xué)可以確定系統(tǒng)的任意狀態(tài)：每個(gè)分子某時(shí)刻的位置和速度已知，由每個(gè)分子某時(shí)刻的位置和速度已知，由牛頓力學(xué)可

11、以推算任意時(shí)刻所有分子的牛頓力學(xué)可以推算任意時(shí)刻所有分子的位置和速度，也就是確定了系統(tǒng)狀態(tài)。位置和速度，也就是確定了系統(tǒng)狀態(tài)。太復(fù)雜太復(fù)雜實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)系統(tǒng)包含大量分子時(shí)，系當(dāng)系統(tǒng)包含大量分子時(shí)，系統(tǒng)存在某種特殊狀態(tài)（即統(tǒng)存在某種特殊狀態(tài)（即平衡態(tài)平衡態(tài)），只），只要少數(shù)幾個(gè)變量即可確定這種狀態(tài)。要少數(shù)幾個(gè)變量即可確定這種狀態(tài)。真好！真好！平衡態(tài)只有在含有大量分子的系統(tǒng)中才可能出現(xiàn)，平衡態(tài)只有在含有大量分子的系統(tǒng)中才可能出現(xiàn)，熱力學(xué)研究的對(duì)象不能是只含少量分子的系統(tǒng)！熱力學(xué)研究的對(duì)象不能是只含少量分子的系統(tǒng)！平衡態(tài)的條件平衡態(tài)的條件(1) 熱平衡熱平衡(2) 力平衡力平衡 (3) 相平

12、衡相平衡 (4) 化學(xué)平衡化學(xué)平衡撤去熱源后，等到溫度均勻，達(dá)到平衡態(tài)撤去熱源后，等到溫度均勻，達(dá)到平衡態(tài)低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩从袩崃糠€(wěn)恒流，不是平衡態(tài)有熱量穩(wěn)恒流，不是平衡態(tài)絕熱壁絕熱壁溫度溫度T都是絕熱壁都是絕熱壁溫度溫度T1溫度溫度T2都達(dá)到熱平衡都達(dá)到熱平衡都達(dá)到力平衡都達(dá)到力平衡剛性壁剛性壁p剛性壁剛性壁p1p2狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)由狀態(tài)由狀態(tài)( (平衡態(tài)平衡態(tài)) )單值決定的性質(zhì)，單值決定的性質(zhì)， 統(tǒng)稱為狀態(tài)函數(shù)統(tǒng)稱為狀態(tài)函數(shù)基本特征：基本特征：狀態(tài)一定狀態(tài)一定, ,狀態(tài)函數(shù)也一定；如果狀態(tài)狀態(tài)函數(shù)也一定；如果狀態(tài)發(fā)生變化發(fā)生變化, ,則狀態(tài)函數(shù)的變化僅決定于系統(tǒng)的初態(tài)則狀

13、態(tài)函數(shù)的變化僅決定于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)和終態(tài), ,與所經(jīng)歷的具體過程無關(guān)。與所經(jīng)歷的具體過程無關(guān)。例如：例如：p , V，T 都是狀態(tài)函數(shù)。都是狀態(tài)函數(shù)。 Q , W 是過程變量。是過程變量。狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)X 發(fā)生無限小變化是發(fā)生無限小變化是全微分全微分 dX則有：則有：2112dXXXXXX 0dX異途同歸，值變相等，異途同歸，值變相等，周而復(fù)始，數(shù)值還原。周而復(fù)始，數(shù)值還原。如果有一個(gè)變量，只決定于系統(tǒng)的初終狀如果有一個(gè)變量，只決定于系統(tǒng)的初終狀態(tài)，而與所經(jīng)歷的具體過程無關(guān)，那么它一定態(tài)，而與所經(jīng)歷的具體過程無關(guān)，那么它一定對(duì)應(yīng)著一個(gè)狀態(tài)函數(shù)的變化。對(duì)應(yīng)著一個(gè)狀態(tài)函數(shù)的變化。如能證明某函數(shù)

14、的無限小變化是全微分，如能證明某函數(shù)的無限小變化是全微分，則它必定是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)。則它必定是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)。有許多物理量與熱力學(xué)中的狀態(tài)函數(shù)類似，比如地有許多物理量與熱力學(xué)中的狀態(tài)函數(shù)類似，比如地面上的物體的重力勢(shì)能就由物體的位置決定，其微面上的物體的重力勢(shì)能就由物體的位置決定，其微分也是全微分，其變化值只取決于初末位置。宏觀分也是全微分，其變化值只取決于初末位置。宏觀體系的重力勢(shì)能由所有分子的位置決定。體系的重力勢(shì)能由所有分子的位置決定。熱力學(xué)中的狀態(tài)函數(shù)的特別之處在于：它由熱力學(xué)中的狀態(tài)函數(shù)的特別之處在于：它由平衡態(tài)決定，而不取決于個(gè)別分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，平衡態(tài)決定，而不取決于個(gè)別分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

15、，它取決于體系的整體性質(zhì)。狀態(tài)函數(shù)只依賴少數(shù)它取決于體系的整體性質(zhì)。狀態(tài)函數(shù)只依賴少數(shù)幾個(gè)自變量，而無需知道體系中每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)幾個(gè)自變量，而無需知道體系中每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。狀態(tài)。3.3.四個(gè)基本的可以直接觀察或測(cè)量的狀態(tài)四個(gè)基本的可以直接觀察或測(cè)量的狀態(tài)函數(shù)函數(shù) 壓力壓力 p 作用于作用于單位面積上的法向力單位面積上的法向力。 單位：?jiǎn)挝唬篜a 體積體積 V 物質(zhì)所占據(jù)空間的大小物質(zhì)所占據(jù)空間的大小。單位：?jiǎn)挝唬簃3 溫度溫度 T 物質(zhì)冷熱程度的度量。物質(zhì)冷熱程度的度量。單位：?jiǎn)挝唬篕 熱力學(xué)第熱力學(xué)第 零定律：零定律：當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)各自與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)各自與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)，這

16、兩個(gè)系統(tǒng)彼此也達(dá)到熱平衡。到熱平衡時(shí)，這兩個(gè)系統(tǒng)彼此也達(dá)到熱平衡。o/C/ K273.15tT物理量的構(gòu)成及運(yùn)算規(guī)則：物理量的構(gòu)成及運(yùn)算規(guī)則：1 1在表示物理量定量關(guān)系的代數(shù)方程中，只允許在表示物理量定量關(guān)系的代數(shù)方程中，只允許量綱相同的，可以相互比較的同一類物理量或量的量綱相同的，可以相互比較的同一類物理量或量的項(xiàng)用加、減號(hào)或相等號(hào)相聯(lián)結(jié)。項(xiàng)用加、減號(hào)或相等號(hào)相聯(lián)結(jié)。2 2lnX 和和 中的中的X 為無量綱的純數(shù)。為無量綱的純數(shù)。3 3應(yīng)該用純數(shù)來作圖或列表，故各物理量須除以應(yīng)該用純數(shù)來作圖或列表，故各物理量須除以相應(yīng)的單位，以便化為純數(shù)。相應(yīng)的單位，以便化為純數(shù)。 單單位位數(shù)數(shù)值值物物理理

17、量量 o/ C/ K273.15tTeX 物質(zhì)的量物質(zhì)的量 n 物質(zhì)中指定的基本單元的數(shù)目物質(zhì)中指定的基本單元的數(shù)目除以阿伏加德羅常數(shù)除以阿伏加德羅常數(shù)。BB/nNL單位：?jiǎn)挝唬簃ol在使用物質(zhì)的量時(shí)，基本單元必須指明。在使用物質(zhì)的量時(shí)，基本單元必須指明。Ca21Ca,如：如：4.4.強(qiáng)度性質(zhì)和廣延性質(zhì)強(qiáng)度性質(zhì)和廣延性質(zhì)強(qiáng)度性質(zhì)強(qiáng)度性質(zhì)與系統(tǒng)物質(zhì)的數(shù)量無關(guān)，表與系統(tǒng)物質(zhì)的數(shù)量無關(guān)，表現(xiàn)系統(tǒng)現(xiàn)系統(tǒng)“質(zhì)質(zhì)”的特征。的特征。如：溫度，壓力，密度，粘度等。如：溫度，壓力，密度，粘度等。廣延性質(zhì)廣延性質(zhì)與系統(tǒng)所含物質(zhì)的數(shù)量成正與系統(tǒng)所含物質(zhì)的數(shù)量成正比，表現(xiàn)系統(tǒng)比，表現(xiàn)系統(tǒng)“量量”的特征。的特征。如：體

18、積，重量，熱力學(xué)能如：體積，重量，熱力學(xué)能(33頁頁)等。等。摩爾性質(zhì)摩爾性質(zhì)廣延性質(zhì)除以物質(zhì)的量廣延性質(zhì)除以物質(zhì)的量,符號(hào)為相符號(hào)為相應(yīng)的物理量加下標(biāo)應(yīng)的物理量加下標(biāo)“ m”。m:/VVn如摩爾性質(zhì)是強(qiáng)度性質(zhì)。摩爾性質(zhì)是強(qiáng)度性質(zhì)?！盁崃W(xué)能是廣延量熱力學(xué)能是廣延量”對(duì)系統(tǒng)大小的要求：對(duì)系統(tǒng)大小的要求：熱力學(xué)能的組成熱力學(xué)能的組成：所有分子的動(dòng)能：所有分子的動(dòng)能 + 所有分子之間所有分子之間的相互作用勢(shì)能。的相互作用勢(shì)能。分子間的相互作用分子間的相互作用：由于電磁作用，分子由于電磁作用，分子與分子之間存在作用與分子之間存在作用力，電磁作用是保守力，電磁作用是保守的，可以用勢(shì)能表示的，可以用勢(shì)能

19、表示相互作用能（正如重相互作用能（正如重力場(chǎng)中的物體，具有力場(chǎng)中的物體，具有重力勢(shì)能）。重力勢(shì)能）。了解一下：了解一下：將一杯水一分為二，廣延量要求總熱力學(xué)能為左右兩將一杯水一分為二，廣延量要求總熱力學(xué)能為左右兩半水的熱力學(xué)能之和，但是，實(shí)際總熱力學(xué)能為：半水的熱力學(xué)能之和，但是，實(shí)際總熱力學(xué)能為： 左半杯水的動(dòng)能及分子間勢(shì)能（左半杯水熱力學(xué)能）左半杯水的動(dòng)能及分子間勢(shì)能（左半杯水熱力學(xué)能）+ 右半杯水的動(dòng)能及分子間勢(shì)能（右半杯水熱力學(xué)能）右半杯水的動(dòng)能及分子間勢(shì)能（右半杯水熱力學(xué)能）+ 左半杯水分子與右半杯水分子間的勢(shì)能左半杯水分子與右半杯水分子間的勢(shì)能熱力學(xué)能是廣延量要求：熱力學(xué)能是廣延量要求：跨越左右半杯的紅線部分跨越左右半杯的紅線部分的分子間勢(shì)能必須可以被的分子間勢(shì)能必須可以被忽略。忽略。這部分能這部分能量怎么辦？量怎么