物理化學(xué) 南大五部分PPT課件

1、1物理化學(xué)物理化學(xué)緒論：緒論： 物理化學(xué)：用物理學(xué)原理研究化學(xué)過程所具有的性質(zhì)和行為的科學(xué)。物理化學(xué)：用物理學(xué)原理研究化學(xué)過程所具有的性質(zhì)和行為的科學(xué)。 物理化學(xué)又由熱力學(xué)、統(tǒng)計熱力學(xué)、量子化學(xué)和動力學(xué)四大學(xué)科所組成。其關(guān)系物理化學(xué)又由熱力學(xué)、統(tǒng)計熱力學(xué)、量子化學(xué)和動力學(xué)四大學(xué)科所組成。其關(guān)系如圖如圖: :第1頁/共30頁物理化學(xué)的建立和發(fā)展物理化學(xué)的建立和發(fā)展萌芽階段：十八世紀(jì)萌芽階段：十八世紀(jì). . 從燃素說到能量守恒與轉(zhuǎn)化定律。從燃素說到能量守恒與轉(zhuǎn)化定律。俄國科學(xué)家羅蒙諾索夫最早使用俄國科學(xué)家羅蒙諾索夫最早使用“物理化學(xué)物理化學(xué)”這一術(shù)語。這一術(shù)語。第2頁/共30頁 1887年俄國科學(xué)

2、家年俄國科學(xué)家W.Ostwald （18531932） 荷蘭科學(xué)家荷蘭科學(xué)家J.H.vant Hoff（18521911）合辦了第一本）合辦了第一本“物理化學(xué)物理化學(xué)雜志雜志”（德文）。（德文）。標(biāo)志著物理化學(xué)學(xué)科的正式建立標(biāo)志著物理化學(xué)學(xué)科的正式建立.學(xué)科的形成: 十九世紀(jì)中葉第3頁/共30頁新測試手段和新的數(shù)據(jù)處理方法不斷新測試手段和新的數(shù)據(jù)處理方法不斷涌現(xiàn)，形成了許多新的分支學(xué)科涌現(xiàn)，形成了許多新的分支學(xué)科: : 熱化學(xué)，化學(xué)熱力學(xué)，電化學(xué)，溶液熱化學(xué)，化學(xué)熱力學(xué)，電化學(xué)，溶液化學(xué)，膠體化學(xué)，表面化學(xué)，化學(xué)動化學(xué)，膠體化學(xué)，表面化學(xué)，化學(xué)動力學(xué)，催化作用，量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化力學(xué)，催化作用，

3、量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)等。學(xué)等。迅速發(fā)展: 二十世紀(jì)第4頁/共30頁化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢1. 1. 從宏觀到微觀從宏觀到微觀單用宏觀的研究方法是不夠的，只單用宏觀的研究方法是不夠的，只有深入到微觀，研究分子、原子層有深入到微觀，研究分子、原子層次的運(yùn)動規(guī)律，才能掌握化學(xué)變化次的運(yùn)動規(guī)律，才能掌握化學(xué)變化的本質(zhì)和結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)系。的本質(zhì)和結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)系。第5頁/共30頁2. 2. 從體相到表相從體相到表相納米材料的特異性與其極其巨大的表面積有密切的關(guān)系納米材料的特異性與其極其巨大的表面積有密切的關(guān)系, ,納米科學(xué)的迅猛發(fā)納米科學(xué)的迅猛發(fā)展展, ,要求對物質(zhì)表相的性質(zhì)有更深入的研究要

4、求對物質(zhì)表相的性質(zhì)有更深入的研究. .復(fù)相化學(xué)反應(yīng)總是在物質(zhì)的表相上進(jìn)行，隨著測試手段的進(jìn)步，了解表相復(fù)相化學(xué)反應(yīng)總是在物質(zhì)的表相上進(jìn)行，隨著測試手段的進(jìn)步，了解表相反應(yīng)的實際過程，將推動表面化學(xué)和多相催化反應(yīng)動力學(xué)的發(fā)展反應(yīng)的實際過程，將推動表面化學(xué)和多相催化反應(yīng)動力學(xué)的發(fā)展. .第6頁/共30頁3.3.從單一學(xué)科到從單一學(xué)科到交叉交叉學(xué)科學(xué)科化學(xué)學(xué)科與其他學(xué)科以及化學(xué)內(nèi)部更進(jìn)一步相互滲透、相互結(jié)合，形成了許化學(xué)學(xué)科與其他學(xué)科以及化學(xué)內(nèi)部更進(jìn)一步相互滲透、相互結(jié)合，形成了許多極具生命力的多極具生命力的交叉交叉科學(xué)，如科學(xué)，如:生物化學(xué)、生物物理化學(xué)、生物熱化學(xué)、生物電化學(xué)、分子生物學(xué)、地球化

5、生物化學(xué)、生物物理化學(xué)、生物熱化學(xué)、生物電化學(xué)、分子生物學(xué)、地球化學(xué)、天體化學(xué)、計算化學(xué)、金屬有機(jī)化學(xué)、物理有機(jī)化學(xué)等。學(xué)、天體化學(xué)、計算化學(xué)、金屬有機(jī)化學(xué)、物理有機(jī)化學(xué)等。第7頁/共30頁4. 4. 從平衡態(tài)到研究非平衡態(tài)從平衡態(tài)到研究非平衡態(tài) 自然界中的所有實際過程都是開放體系的非平衡熱力學(xué)過程自然界中的所有實際過程都是開放體系的非平衡熱力學(xué)過程. . 經(jīng)典熱力學(xué)只研究平衡態(tài)和封閉體系或孤立體系經(jīng)典熱力學(xué)只研究平衡態(tài)和封閉體系或孤立體系. . 非平衡態(tài)的開放體系的研究更具有實際意義，自非平衡態(tài)的開放體系的研究更具有實際意義，自PrigoginePrigogine提出耗散結(jié)構(gòu)以提出耗散結(jié)構(gòu)以

6、來，逐漸形成了非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)學(xué)科來，逐漸形成了非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)學(xué)科, ,并成為現(xiàn)代科學(xué)研究的前沿領(lǐng)并成為現(xiàn)代科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域域. .第8頁/共30頁2物理化學(xué)的學(xué)習(xí)方法：物理化學(xué)的學(xué)習(xí)方法： 1. 1. 緊緊抓住基本概念緊緊抓住基本概念 , , 反復(fù)討論與思考反復(fù)討論與思考. . 2.2.多做習(xí)題多做習(xí)題. . 好的習(xí)題是如何解決實際問題的范例好的習(xí)題是如何解決實際問題的范例. . 3.3.重視物理化學(xué)實驗重視物理化學(xué)實驗, , 通過做實驗加深對通過做實驗加深對理論的理解理論的理解. . 4.4.注意前后知識的連貫性注意前后知識的連貫性. .第9頁/共30頁主要參考書主要參考書:

7、南京大學(xué)編南京大學(xué)編: 物理化學(xué)物理化學(xué)南開大學(xué)編：南開大學(xué)編：物理化學(xué)物理化學(xué)山東大學(xué)編：山東大學(xué)編：物理化學(xué)物理化學(xué) Atkins: “Physical Chemistry ” Levin: “Physical Chemistry”(北京北京大學(xué)翻譯大學(xué)翻譯) 第10頁/共30頁3基本定義與概念基本定義與概念1. 熱力學(xué)(Thermodynamics): 研究體系宏觀性質(zhì)間的關(guān)系 2. 體系( system): 被研究的對象 環(huán)境(surrouding): 與體系相關(guān)聯(lián)的事物 嚴(yán)格地說: 體系 + 環(huán)境 = 宇宙 實際處理： 與體系相關(guān)的部分稱為環(huán)境。第11頁/共30頁4體 系 的 分 類

8、 熱力學(xué)上因體系與環(huán)境間的關(guān)系不同而將其分為三種不同的類型: 開放體系 (open system): 體系與環(huán)境之間既有能量 又有物質(zhì)的交換 封閉體系(closed system): 體系與環(huán)境間只有能量的 交換沒有物質(zhì)的交換 隔離體系(isolated system): 體系與環(huán)境間既無能量 又無物質(zhì)的交換 第12頁/共30頁開放體系：既有物質(zhì)交換也有能量交換開放體系：既有物質(zhì)交換也有能量交換第13頁/共30頁封閉體系：有能量交換無物質(zhì)交換封閉體系：有能量交換無物質(zhì)交換第14頁/共30頁隔離體系：體系環(huán)境隔離體系：體系環(huán)境第15頁/共30頁隔離體系：無能量交換無物質(zhì)交換隔離體系：無能量交換無

9、物質(zhì)交換第16頁/共30頁絕熱容器水電加熱器電源電路如圖:體系和環(huán)境可劃分為:(1)體系:電源+電路+容器+加熱器+水 環(huán)境: 其它(2)體系:容器+水+加熱器 環(huán)境: 電源+電路(3)體系:水+加熱器 環(huán)境:容器+電源+電路(4)體系:水 環(huán)境:電源+電路+容器+加熱器第17頁/共30頁5 3. 體系的狀態(tài): 達(dá)熱力學(xué)平衡后的狀態(tài)體系與環(huán)境間須達(dá)到以下四個條件時, 才可認(rèn)為體系達(dá)熱力學(xué)平衡, 此時體系的狀態(tài)稱為熱力學(xué)平衡態(tài), 簡稱狀態(tài). 1. mechanical equilibrium: 體系處處壓力(p) 相等, 且與環(huán)境相等 2. thermal equilibrium: 體系處處溫度

10、(T)相等,且與環(huán)境相等 3. phase equilibrium: 體系內(nèi)各相間處于平衡相變( ) 4. chemical equilibrium: 體系內(nèi)各化學(xué)反應(yīng)達(dá)平衡(K) 對于簡單體系只要求達(dá)力平衡和熱平衡第18頁/共30頁4. 熱力學(xué)函數(shù)熱力學(xué)函數(shù)物理化學(xué)中的熱力學(xué)函數(shù)可分為兩大類:廣度量(extensive properties) : 其數(shù)值不僅與體系的性質(zhì)有關(guān),與體系的大小也有關(guān). 如體積V,物質(zhì)的量n等.強(qiáng)度量(intensive properties): 其數(shù)值與體系大小無關(guān). 如溫度T,壓力p等.強(qiáng)度量的值取決于體系的狀態(tài)和體系中所含物質(zhì)的性質(zhì), 而與體系所含物質(zhì)的量的多

11、少無關(guān). 一般而言, 兩個廣度量的比值是一強(qiáng)度量,如: =G/V第19頁/共30頁5.熱和功熱和功 A. 熱(heat)：體系與環(huán)境間因溫差的存在而傳遞的 能量稱為熱。 熱的符號為Q 體系放熱為負(fù)； 體系吸熱為正。 熱量總是從高溫物體傳至低溫物體，當(dāng)體系與環(huán)境溫度相等時，達(dá)熱平衡，沒有熱量的傳遞。 熱量傳遞的途徑有三條： 1 熱傳導(dǎo)：如金屬的傳熱。 2對流換熱：如冷水倒入熱水，攪拌使溫度均勻。 3熱輻射：如陽光普照大地。 第20頁/共30頁B. 功(work)：以其它形式所傳遞的能量. 功的符號為W, 其規(guī)定為： 體系對環(huán)境做功（失去能量）為負(fù)；環(huán)境對體系做功（得到能量）為正. (另一種規(guī)定為

12、：體系對外做功為正；環(huán)境對體系做功為負(fù)。) 廣義功的一般表達(dá)式為：廣義功的一般表達(dá)式為： Wxdx x是廣義力：可以是牛頓力、壓強(qiáng)、電壓等；是廣義力：可以是牛頓力、壓強(qiáng)、電壓等；dx是廣義位移：可以是距離、體積、電量等。是廣義位移：可以是距離、體積、電量等。第21頁/共30頁 功的種類功的種類 廣義力廣義力 廣義位移廣義位移 功的功的表達(dá)式表達(dá)式 機(jī)械功機(jī)械功 f dl W=fdl 體積功體積功 pdV pdV 電電 功功 EdQ EdQ 勢勢 能能 mgdh mgdh 表面功表面功 dA dA 化學(xué)功化學(xué)功 dn dn 在物理化學(xué)中，最常見的功體積功，因體系的在物理化學(xué)中，最常見的功體積功，

13、因體系的體積發(fā)生變化所引起的功。除體積功之外的一體積發(fā)生變化所引起的功。除體積功之外的一切功，在物理化學(xué)中統(tǒng)稱為有用功。切功，在物理化學(xué)中統(tǒng)稱為有用功。 第22頁/共30頁6.熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 熱力學(xué)第零定律即是熱平衡原理 熱平衡原理的表述為:體系與環(huán)境達(dá)熱平衡時體系與環(huán)境達(dá)熱平衡時, ,兩者溫度相等兩者溫度相等. . 溫度是達(dá)到熱平衡的標(biāo)志溫度是達(dá)到熱平衡的標(biāo)志, ,若體系與環(huán)境的溫度不同若體系與環(huán)境的溫度不同, ,熱量將從高溫流向低溫?zé)崃繉母邷亓飨虻蜏? ;若體系若體系與環(huán)境的溫度相同與環(huán)境的溫度相同, ,則無熱量的傳遞則無熱量的傳遞. .第23頁/共30頁 溫標(biāo): 溫度計量

14、常采用的溫標(biāo)系統(tǒng)有: 1. 攝氏溫標(biāo): 1大氣壓下,水的冰點(diǎn)為攝氏零度; 水的沸點(diǎn)為100. 2.理想氣體溫標(biāo): 由理想氣體方程所定義的溫 標(biāo). T= pVm / R 3.熱力學(xué)溫標(biāo): 其值等同于理想氣體溫標(biāo).由熱 力學(xué)第二定律導(dǎo)出.第24頁/共30頁 7. 狀態(tài)函數(shù)和過程量 狀態(tài)函數(shù)(state function)： 只取決于體系狀態(tài)的熱力學(xué)函數(shù)。 狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)： 1. 體系狀態(tài)確定，狀態(tài) 函數(shù)值便被確定； 2 體系經(jīng)歷一過程的狀態(tài)函數(shù)差值，只取決于體系的始末兩態(tài)。pVAB Z1 Z2第25頁/共30頁狀態(tài)函數(shù)口訣：殊途同歸，值變相等；周而復(fù)始，值變?yōu)榱恪?已學(xué)的狀態(tài)函數(shù)： T、p、V第2

15、6頁/共30頁 過程量：過程量： 不僅與體系的始末態(tài)有不僅與體系的始末態(tài)有關(guān)，還與體系所經(jīng)歷的途徑有關(guān)的關(guān)，還與體系所經(jīng)歷的途徑有關(guān)的熱力學(xué)量稱為過程量。熱力學(xué)量稱為過程量。 最常見的過程量為Q和W 過程量與過程密切相關(guān)，過程量只伴隨過程而存在。 熱和功是最重要最常見的過程量。當(dāng)始末態(tài)確定時，不論體系經(jīng)歷哪一種具體途徑，體系所有狀態(tài)函數(shù)的變化值都是確定的；但功和熱確與途徑密切相關(guān)，不同途徑所具有的熱和功的數(shù)值不盡相同。第27頁/共30頁 體積功的計算： 基本公式： W=p抗dV 注意： 體積功是體積功是體系反抗外壓所作的功體系反抗外壓所作的功； 或者是或者是環(huán)境施加于體環(huán)境施加于體系所作的功系所作的功。 W W的數(shù)值不僅僅與體系的始末態(tài)有關(guān)，還與具體經(jīng)歷的途徑有關(guān)。的數(shù)值不僅僅與體系的始末態(tài)有關(guān)，還與具體經(jīng)歷的途徑有關(guān)。 在計算體積功時，首先要弄清反抗的壓力與體系體積的關(guān)系。在計算體積功時，首先要弄清反抗的壓力與體系體積的關(guān)系。 第28頁/共30頁