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上海交通大学无机化学课件第二章热力学教材
(4)功和热 1.热力学中把体系与环境之间因温差而变化 的或传递的能量形式称热,以Q表示。 2. 除热以外的能量交换形式都称为功,以w 表示。 3.热力学中功的分类: • 体系反抗外压所做的膨胀功或称体积功; • 除“膨胀功”以外的“其它功”或称之为 有用功、非体积功。 *在我们的课程中(除氧化还原章节外)只 研究体积功。
一、基本概念:
(1)体系(系统)和环境
体系的分类:
敞开体系; 封闭体系; 孤立体系。 我们一般主要讨论封闭体系。
问题:我们为什么一般讨论封闭体系?
直观的例子?
敞开体系
封闭体系
孤立体系
(2)状态和状态函数 1.状态是体系所有性质的综合表现 ; 2.体系的热力学性质称为状态函数 ; 3. 状态函数有三个相互联系的特征:
• 热力学中,对于热、功的符号的规定:
体系吸热:+ 体系放热:- 体系接受功: - 体系做出功: +
*均以体系为参考。 • 注意:上述两者都是状态变化过程中能量传
递的形式,其数值与状态变化的途径有关, 故热、功为非状态函数。
C6H5N2+Cl-+H2O => C6H5OH+H++Cl-+N2
讨论此例得到的结论!
讨论: 1.从()(2)可以看到: 作为量度性质
的热力学能,对宇宙来说其改变量当然是零。 ΔU体系 + ΔU环境=0 或 U体系 + U环境=常数 ――――能量守恒的实 质。
2.对于体系的始态UI和终态(UI+20):
虽然变化途径不同(Q、W不同),但ΔU却 相同。说明Q、W是非状态函数,它们与途径 有关,而热力学能是状态函数与途径无关。
引入的第一个热力学状态函数!
二、热力学第一定律
1.数学表达式:ΔU=Q-W
* 注意:另外的表达方式,第一定律的表达式与
功和热符号的规定;
2.研究内容:变化过程中热力学能、功、 热的转换方式。 3.实质:能量守恒。 *注意:这里既有过程量又有状态函数以及之
间的关系;
例题:
某过程中,体系从环境吸收热量50kJ,对 环境做功30kJ。求:
某气体
300K 300K 300K 300K 350K 360K 280K 460K
350K 350K 350K
300K
Δ T=50K Δ T=50K Δ T=50K Δ T= 0K
始态 水 298K 298K 始态
终态 272K 398K 348K 348K 终态
改变量
ΔT=50K ΔT=50K
切记:同样的过程,可以有不同的途径!
• 自发过程:一定条件下,不需要给定能量就能 够自动进行的过程。
一种特殊的过程
• 可逆过程(途径)*: 它是一种在无限接近于平衡,并且没有摩擦 力条件下进行的理想过程(如理想气体可 逆膨胀或压缩)。 • 我们主要讨论等温可逆过程
• 我们为什么要讨论等温可逆过程(途径)?
第二章 化学热力学初步
关于化学热力学
1.何为热力学?解决什么问题?——属于什么范畴? 2.何为化学热力学?解决什么问题?——非常重要的 结论! 3.化学热力学学习要求掌握的内容: • 化学反应的可能性; • 化学反应进行的方向; • 化学反应的程度。
*本章学习要注意的地方——注重概念以及使用 的条件!
(1)过程中体系热力学能的改变量ΔU和环境热 力学能的改变量ΔU‘。
解:(1) 由热力学第一定律的数学表达式可知 Q=+50kJ W =+30kJ ∴ ΔU体系 =Q - W =50 -30=20(kJ)
( 2 )如果开始时,体系先放热 40kJ ,环境对体 系做功 60kJ ,求体系的热力学能的改变量ΔU 以及终态的热力学能U 。 ( 解 ) 若 将 环 境 当 做 体 系 来 考 虑 , 则 有 Q′= 50kJ,W′= 30kJ, 故环境热力学能改变量ΔU′=Q′- W′ ∴ ΔU′环境 = 50-(30)= 20(kJ) (2) Q=-40kJ W= -60kJ ΔU体系=Q - W =20kJ ∴ UII=UI+20(kJ)
(5)热力学能(内能)
• 体系内部一切能量的总和称为体系的热力学能U。 • U的内涵和性质: a.体系内部各种形式能量的总和。 b.它的绝对值无法测量或计算。只能计算ΔU。 c.U是体系的具有加合性质的状态函数。体系的状 态一定,则有一个确定的热力学能值。 d.理想气体的热力学能只是温度的函数,所以其恒 温过程的△U=0 (?)
• 体系状态一定,状态函数有一定的值; • 体系状态变化时,状态函数的变化只决定于体系 的始态和终态,而与变化的途径无关; • 体系恢复到始态,状态函数恢复原值。
问题:满足上述几个条件可以认为是状态函数?
* 状态一定值一定; 殊途同归变化等; 周而复始变为零。
4.状态函数的类型:
• 容量性质的状态函数--------具有加和性 (如V、m); • 强度性质的状态函数 ------没有加和性(如 T、P)(与物质的量无关)。
• 可逆过程:
要求变化的过程在一连串的平衡状态下可逆地 进行。
即体系和环境都回到原始状态,不给环境 留下任何痕迹。
Q、W不是状态函数,它随途径不同而 改变。 *对于理想气体来说,热力学能U只是 温度的函数,
理想气体的恒温可逆膨胀或压缩,体系吸 收或放出的热量以及对外或接收的体积功 的数值大小相等!
*注意:要区别可逆反应与可逆过程。 • 可逆反应:
指反应物按正向反应得到产物,而产物也可按 逆向反应变成反应物。
改变量
殊途同归,增量相同
(3)过程和途径 • 体系的状态发生变化时 ,状态变化的经过 ――过程。 • 完成这个过程的具体步骤则称为途径。 方式——途径。 过程 ——状态。
问题:如何区分过程与途径?举例?
热力学中常见的过程: • 等温过程:体系的始态温度与终态温度相同,并 等于环境的温度; (T1=T2=T环) • 等压过程:始态、终态的压力与环境相同( p1 = p2=p环) • 等容过程:体系的体积不发生变化(V1=V2) • 绝热过程:体系与环境之间无热量交换(Q=0) • 循环过程:过程进行后,系统重新回到初始状态。