《化學(xué)熱力學(xué)》課程教學(xué)大綱

1、化學(xué)熱力學(xué)課程教學(xué)大綱課程代碼：CHEM3010課程類別：專業(yè)教學(xué)課程、全校性任意選修課程等授課對(duì)象：化學(xué)、材料等專業(yè)開課學(xué)期：春季學(xué) 分：2 學(xué)分主講教師：楊平、白同春、李淑謹(jǐn)、孫如指定教材：高執(zhí)棣，化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)，北京大學(xué) 出版社，2006年一、教學(xué)目的：本課程為在大學(xué)本科“物理化學(xué)”課程的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步加深化學(xué)、材料專業(yè)及物理化學(xué)專業(yè)本科生對(duì)熱力學(xué)基本理論、基本概念的理解為其開設(shè)的專業(yè)課。通過對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，加深對(duì)化學(xué)熱力學(xué)基本原理和公式的理解，掌握對(duì)熱力學(xué)基本公式和定理的推導(dǎo)、證明方法，了解熱力學(xué)的研究方法，拓寬了解熱力學(xué)在氣體、溶液、相平衡和化學(xué)反應(yīng)等方面的應(yīng)用的知識(shí)，特別是在溶液

2、熱力學(xué)方面的應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)提高應(yīng)用化學(xué)熱力學(xué)原理和方法分析和解決科研和實(shí)際問題的能力。二、課程內(nèi)容第一章 基本概念課 時(shí) 2周，共4課時(shí)教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 熱力學(xué)的體系與環(huán)境 明確熱力學(xué)研究對(duì)象，孤立體系，封閉體系，開放體系第二節(jié) 平衡態(tài)與宏觀量 明確熱力學(xué)研究體系宏觀態(tài)的多樣性，平衡態(tài)，非平衡態(tài)，宏觀參量，廣度量，強(qiáng)度量第三節(jié) 狀態(tài)變量與狀態(tài)函數(shù) 明確如何描述體系的狀態(tài)，狀態(tài)公理第四節(jié) 熱力學(xué)過程 了解體系與環(huán)境之間的幾種作用形式，力學(xué)作用，熱相互作用，化學(xué)作用，膨脹過程，變溫過程，混合過程，相變過程，化學(xué)反應(yīng)過程第五節(jié) 熱力學(xué)第零定律與溫度 了解熱力學(xué)第零定律實(shí)驗(yàn)背景，溫度定理，溫標(biāo)第六節(jié) 物

3、態(tài)方程 對(duì)比狀態(tài)，臨界狀態(tài)，van der Waals方程，壓縮因子形式的狀態(tài)方程，Virial方程第七節(jié) 膨脹系數(shù)與壓縮系數(shù) 體膨脹系數(shù)，等溫壓縮系數(shù)思考題1. 設(shè)計(jì)無摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過程，使298K，p下的1mol水完全變?yōu)橥瑴赝瑝合碌乃魵狻?. 試推出范德華方程的維里形式第二章 熱力學(xué)第一定律課 時(shí)：2周，共4課時(shí)教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 功 明確熱力學(xué)功的定義，體積功，表面功，一維彈性絲的功，可逆電池的功第二節(jié) 體積功計(jì)算實(shí)例 通過體積功計(jì)算實(shí)例掌握熱力學(xué)體積功的計(jì)算第三節(jié) 熱 明確熱的唯象定義第四節(jié) 封閉體系的熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能 掌握封閉體系的熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能的定義第五節(jié) 熱力學(xué)第一定律的幾

4、種特殊形式和焓 掌握熱力學(xué)第一定律的幾種特殊形式和焓的定義第六節(jié) 熱容 明確熱容的定義和應(yīng)用，摩爾等壓熱容，摩爾等容熱容第七節(jié) 熱力學(xué)量之間的關(guān)系 掌握U，H隨T, V, p的變化關(guān)系第八節(jié) 熱力學(xué)第一定律在理想氣體中的應(yīng)用 掌握低壓氣體規(guī)律，理想氣體微觀模型和熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的重要結(jié)論思考題1. 根據(jù)理想氣體絕熱可逆過程方程推導(dǎo)出該過程的功的計(jì)算公式2. 當(dāng)熱由體系傳給環(huán)境時(shí)，體系的焓如何變化？第三章 熱力學(xué)第二定律課 時(shí)：4周，共8課時(shí)教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 熱力學(xué)第二定律的經(jīng)典表述 通過實(shí)例了解后果不可消除原理，熱力學(xué)第二定律的兩種經(jīng)典表述第二節(jié) 可逆過程與不可逆過程。 了解根據(jù)熱力學(xué)第

5、二定律判斷過程可逆與否的根據(jù)，可逆過程，不可逆過程第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律的熵表述熵，熵增加原理，熵產(chǎn)生原理第四節(jié) 熵計(jì)算熱源與作功機(jī)器的熵變，等溫過程的熵變，非等溫過程的熵變，純物質(zhì)相變的熵變，理想氣體混合熵變（等溫等容混合，等溫等壓混合，Gibbs佯謬），理想氣體熵變的計(jì)算公式，化學(xué)反應(yīng)熵變第五節(jié) 熵增加原理在循環(huán)過程中的應(yīng)用 掌握熵增加原理在循環(huán)過程中的應(yīng)用：等溫循環(huán)原理，非等溫循環(huán)原理，卡諾循環(huán)，Clausius不等式，熱力學(xué)溫標(biāo)。第六節(jié) 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)表述 Boltzmann關(guān)系，第二定律的統(tǒng)計(jì)表述，影響熵的因素第七節(jié) 無序向有序轉(zhuǎn)變問題 熵補(bǔ)償原理，化學(xué)反應(yīng)偶合思考題1. 根據(jù)

6、熵補(bǔ)償原理討論一個(gè)有實(shí)際意義的從無序向有序轉(zhuǎn)變的實(shí)例。2. 證明若第二定律的克勞修斯說法不能成立，則開爾文說法也不能成立。第四章 自由能及熱力學(xué)基本方程課 時(shí)：2周，共4課時(shí)教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 熱力學(xué)第一、第二定律聯(lián)合公式掌握封閉體系熱力學(xué)第一、第二定律聯(lián)合公式第二節(jié) Helmholtz和Gibbs自由能 Helmholtz自由能及其減少原理，Gibbs自由能及其減少原理第三節(jié) 封閉體系的熱力學(xué)基本方程了解封閉體系的熱力學(xué)基本方程由來和限制條件第四節(jié) 特性函數(shù) 了解特性函數(shù)的定義，能夠證明G是以T，p為變量的特性函數(shù)第五節(jié) Gibbs自由能隨T、p的變化關(guān)系Gibbs-Helmholtz方程，Gi

7、bbs自由能隨p的變化規(guī)律第六節(jié)Gibbs自由能差的計(jì)算及Gibbs自由能減小原理的應(yīng)用 體系在同溫下兩狀態(tài)的G，相變的G，應(yīng)用Gibbs-Helmholtz方程求算G，由可逆電池的電動(dòng)勢求算G，不同物質(zhì)理想氣體混合的Gibbs自由能變第七節(jié) 均相體系熱力學(xué)量間關(guān)系 掌握常用數(shù)學(xué)關(guān)系，U，H對(duì)T、p、V的偏微商，恒熵下T、p、V之間的偏微商，S對(duì)T、p、V的偏微商，熱力學(xué)關(guān)系證明方法，基本方程法，Jacobi法，鏈關(guān)系，循環(huán)關(guān)系法，Maxwell關(guān)系法第八節(jié) 熱響應(yīng)函數(shù)與力學(xué)響應(yīng)函數(shù)之間的關(guān)系 了解熱響應(yīng)函數(shù)與力學(xué)響應(yīng)函數(shù)之間的關(guān)系推導(dǎo)第九節(jié) 焦耳-湯姆遜效應(yīng) 節(jié)流實(shí)驗(yàn)，焦耳-湯姆遜效應(yīng)的熱力

8、學(xué)第十節(jié) 內(nèi)能、熵、焓等方程 了解內(nèi)能、熵、焓等方程的推導(dǎo)及應(yīng)用第十一節(jié) 氣體熱力學(xué)函數(shù)非理想性的修正 了解氣體熱力學(xué)函數(shù)非理想性的修正方法第十二節(jié) 磁介質(zhì)的熱力學(xué) 了解磁介質(zhì)的特性函數(shù)及Maxwell關(guān)系式思考題1. 利用G來判別變化的方向和平衡的條件。2. 總結(jié)熱力學(xué)關(guān)系式證明方法第五章 質(zhì)點(diǎn)數(shù)目改變體系的熱力學(xué)課 時(shí)：1周，共2課時(shí)第一節(jié) 化學(xué)勢 質(zhì)點(diǎn)數(shù)目改變體系的基本方程和化學(xué)式第二節(jié) 偏摩爾量 偏摩爾量定義，加和定理第三節(jié) 偏摩爾量微商的相關(guān)性掌握偏摩爾量微商的相關(guān)性公式的推導(dǎo)第四節(jié) 偏摩爾量的測定 了解偏摩爾量測定的一般原理第五節(jié) Gibbs-Duhem方程 了解Gibbs-Duh

9、em方程推導(dǎo)和應(yīng)用第六節(jié) Maxwell關(guān)系式和特性函數(shù)巨熱力勢，質(zhì)點(diǎn)數(shù)目改變體系的Maxwell關(guān)系式，由G函數(shù)確定其它熱力學(xué)量的方法第七節(jié) 化學(xué)式隨溫度和壓力的變化 化學(xué)式隨溫度變化的關(guān)系式，化學(xué)式隨壓力變化的關(guān)系式思考題1. 處理多組分體系時(shí)為什么要區(qū)分偏摩爾量和摩爾量。2. 引出體系以S，p，i為獨(dú)立變量的特性函數(shù)第六章 平衡態(tài)的穩(wěn)定性課 時(shí)：1周，共2課時(shí)第一節(jié) 平衡態(tài)穩(wěn)定性的熱力學(xué)判據(jù) 平衡態(tài)穩(wěn)定的熵判據(jù)，平衡態(tài)穩(wěn)定的Helmholtz自由能判據(jù)，平衡態(tài)穩(wěn)定性的Gibbs自由能判據(jù)第二節(jié) 平衡條件 了解體系平衡的幾個(gè)必要條件第三節(jié) 平衡穩(wěn)定條件 了解平衡穩(wěn)定條件的熱力學(xué)不等式及應(yīng)用

10、，單相封閉體系平衡穩(wěn)定條件的另一推導(dǎo)法第四節(jié) 穩(wěn)定性對(duì)熱力學(xué)勢函數(shù)的限制 凹函數(shù)和凸函數(shù)，穩(wěn)定性對(duì)Helmholtz自由能和Gibbs自由能熱力學(xué)勢函數(shù)的限制第五節(jié) Le Chatelier原理 熱穩(wěn)定條件，力學(xué)穩(wěn)定條件，化學(xué)穩(wěn)定條件思考題1. 將平衡穩(wěn)定條件應(yīng)用于不均勻體系，體系的Cv是否可小于0？2. 用理想氣體體系驗(yàn)證平衡穩(wěn)定條件的熱力學(xué)不等式第七章 熱力學(xué)第三定律課 時(shí)：1周，共2課時(shí)第一節(jié) Richards實(shí)驗(yàn)第二節(jié) Nernst定理 Nernst熱定理，Nernst定理的重要推論第三節(jié) 熱力學(xué)第三定律的Plank表述及標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵 熱力學(xué)第三定律的Plank表述，晶體的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵，氣

11、體的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵思考題1. 了解熱力學(xué)第三定律的其它表述2. 用Nernst定理解釋在溫度趨于絕對(duì)零度時(shí)Richards實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Thomson-Berthelot原則是正確的第八章 多組分體系的熱力學(xué)性質(zhì)課 時(shí)：4周，共8課時(shí)第一節(jié) 理想氣體的熱力學(xué)性質(zhì)純理想氣體的化學(xué)勢，理想混合氣體的物態(tài)方程，理想混合氣體的化學(xué)勢等溫式，理想混合氣體的熱力學(xué)性質(zhì)，理想氣體等溫等壓混合規(guī)律第二節(jié) 實(shí)際氣體的熱力學(xué)性質(zhì)實(shí)際氣體的化學(xué)勢等溫式，逸度，計(jì)算逸度的普遍公式；氣體逸度的計(jì)算方法。第三節(jié) 溶液的熱力學(xué)性質(zhì)理想溶液的熱力學(xué)性質(zhì)，稀溶液，稀溶液的活度，凝固點(diǎn)降低定律，沸點(diǎn)升高定律，滲透壓定律，稀溶液四種依數(shù)性

12、間關(guān)系，分配定律，實(shí)際溶液的蒸氣壓-組成圖，Duhem-Margules方程，非電解質(zhì)溶液中各物質(zhì)的化學(xué)勢等溫式，活度與溫度及壓力的關(guān)系，活度與逸度的關(guān)系，活度的測定方法，超額函數(shù)；超額函數(shù)與活度系數(shù)的關(guān)系，溶劑的滲透系數(shù)，溶劑的偏摩爾量與滲透系數(shù)的關(guān)系，溶劑的滲透系數(shù)與溶質(zhì)的活度系數(shù)的關(guān)系，溶液的相平衡規(guī)律思考題1. 實(shí)際溶液的溶質(zhì)按不同濃度表示時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的狀態(tài)有何不同？2. Duhem-Margules方程有哪些用處？第九章 平衡態(tài)唯象熱力學(xué)的方法論課 時(shí)：1周，共2課時(shí)變量變換法；特殊函數(shù)法；循環(huán)法；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)法；極值法；微元法；平衡法；偏離理想法。三、各章課時(shí)分配表 章序號(hào)章內(nèi)容學(xué)時(shí)數(shù)1基本概念42熱力學(xué)第一定律43熱力學(xué)第二定律84自由能及熱力學(xué)基本方程45質(zhì)點(diǎn)數(shù)目改變體系的熱力學(xué)26平衡態(tài)的穩(wěn)定性27熱力學(xué)第三定律28多組分體系的熱力學(xué)性質(zhì)89平衡態(tài)唯象熱力學(xué)的方法論2總 計(jì)36參考