药学无机化学课件-14级药学第5章化学热力学基础.ppt
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1、2/23/202312/23/2023温儒宝温儒宝第第 5 5 章章 化学热力学基础化学热力学基础2/23/202322/23/2023温儒宝温儒宝第第 5 5 章章 化学热力学基础化学热力学基础 5.1 基本概念和术语基本概念和术语5.3 化学反应的方向和限度化学反应的方向和限度 5.2 化学反应热化学反应热 2/23/202332/23/2023温儒宝温儒宝第一节第一节 热力学的基本概念热力学的基本概念5.1.1体系和环境体系和环境5.1.3热和功热和功5.1.2状态、状态函数和过程状态、状态函数和过程2/23/202342/23/2023温儒宝温儒宝指定条件下能否发生反应指定条件下能否发
2、生反应?反应可以进行到什么程度反应可以进行到什么程度?反应中能量变化如何?反应中能量变化如何?化学热力学化学热力学是应用热力学的基本原理研是应用热力学的基本原理研究化学反应的究化学反应的物质转变规律物质转变规律和和能量转变规律能量转变规律的一门科学的一门科学 化学热力学化学热力学的研究内容的研究内容 2/23/202352/23/2023温儒宝温儒宝5.1.1体系和环境体系和环境体系体系:人为划定的研究对象人为划定的研究对象 环境环境:系统以外与系统有相系统以外与系统有相 互影响的其它部分互影响的其它部分 体系又称为系统体系又称为系统环境又称为外界环境又称为外界2/23/202362/23/2
3、023温儒宝温儒宝置于室温的铁容器置于室温的铁容器盛满盛满热水热水水蒸发(有物质交换)水蒸发(有物质交换)散热散热(有能量交换)(有能量交换)开放体系开放体系未加盖未加盖2/23/202372/23/2023温儒宝温儒宝置于室温的一满瓶热水置于室温的一满瓶热水加盖(无物质交换)加盖(无物质交换)散热散热(有能量交换)(有能量交换)封闭体系封闭体系2/23/202382/23/2023温儒宝温儒宝置于室温的一满瓶热水置于室温的一满瓶热水置于绝热密闭容器中置于绝热密闭容器中孤立体系孤立体系2/23/202392/23/2023温儒宝温儒宝5.1.2状态、状态函数和过程状态、状态函数和过程体系的体系
4、的状态状态即体系的存在形式,即体系的存在形式,亦即体系的样子。亦即体系的样子。要知道体系处于什么状态,就需要用一些宏观要知道体系处于什么状态,就需要用一些宏观物理量如体积物理量如体积V、温度、温度T、压力、压力p、质量、质量m、物、物质的量质的量n 等对体系的状态进行描述和规定。等对体系的状态进行描述和规定。用于描述和规定体系状态的宏观物理量用于描述和规定体系状态的宏观物理量称为体系的称为体系的状态函数状态函数,又称为,又称为状态性质状态性质。如体积如体积V、温度、温度T、压力、压力p、质量、质量m、物质的、物质的量量n 等等2/23/2023102/23/2023温儒宝温儒宝当体系的各种状态
5、函数均有确定的值时,体系就当体系的各种状态函数均有确定的值时,体系就处于一确定的状态。处于一确定的状态。体系的状态是体系各种状态函数的综合表现。体系的状态是体系各种状态函数的综合表现。体系的状态可以变化,体系的状态可以变化,体系的状态函数同样可以变化。体系的状态函数同样可以变化。当体系的状态发生变化时,则体系必定有当体系的状态发生变化时,则体系必定有某些状态函数的值发生了改变。某些状态函数的值发生了改变。同样,只要体系有某个状态函数发生了改同样,只要体系有某个状态函数发生了改变,则体系的状态必然发生了变化。变,则体系的状态必然发生了变化。2/23/2023112/23/2023温儒宝温儒宝体系
6、的各种状态函数之间是相互联系的,即体系的各种状态函数之间是相互联系的,即相互之间存在函数关系。相互之间存在函数关系。例如理想气体的例如理想气体的p、V、n、T之间就存在关系式之间就存在关系式pV=nRT因此在描述和规定体系的状态时,因此在描述和规定体系的状态时,并不需要将体系所有状态函数的值均列出来。并不需要将体系所有状态函数的值均列出来。2/23/2023122/23/2023温儒宝温儒宝强度性质强度性质:数值与物质的数量无关,没有加合性。数值与物质的数量无关,没有加合性。例如:温度、压力、密度。例如:温度、压力、密度。广度性质广度性质:数值与物质的数量成正比,具有加合性。数值与物质的数量成
7、正比,具有加合性。例如:体积、质量、物质的量等。例如:体积、质量、物质的量等。性质性质 (property)2/23/2023132/23/2023温儒宝温儒宝过程过程体系体系从一种状态变化到另一种状态的从一种状态变化到另一种状态的经历经历称为过程称为过程 等温过程等温过程(恒温过程)恒温过程):等压过程(恒压过程);等压过程(恒压过程);等容过程(恒容过程)等容过程(恒容过程)始态始态过程的开始状态过程的开始状态终态终态过程的终止状态过程的终止状态2/23/2023142/23/2023温儒宝温儒宝徐医学徐医学院主校院主校徐州中徐州中央百大央百大乘乘乘乘10101010路车路车路车路车乘乘6
8、08608路车路车从一个地方到达另一地方有多种途径从一个地方到达另一地方有多种途径过程进行的具体方式是多种多样的。每一种过程进行的具体方式是多种多样的。每一种具体方式具体方式称为一种称为一种途径途径。途径途径 2 2途径途径 1 12/23/2023152/23/2023温儒宝温儒宝状态状态1 1状态状态2 2途径二途径二途径一途径一始态始态终态终态从一个状态变化到另一状态有多种途径从一个状态变化到另一状态有多种途径2/23/2023162/23/2023温儒宝温儒宝途径与过程的区途径与过程的区别别 途径:完成变化过程的具体步骤途径:完成变化过程的具体步骤等压等压等压等压等温等温等温等温T=T
9、2T1=75Kp=p2p 1=50kPa始态始态(1)298K,100kPa373K,100kPa终态终态(2)373K,50kPa298K,50kPa体系状态发生的任何变化称为过程体系状态发生的任何变化称为过程途径途径途径途径过程过程过程过程过程过程过程过程2/23/2023172/23/2023温儒宝温儒宝气体膨胀过程气体膨胀过程2/23/2023182/23/2023温儒宝温儒宝V1V1气体膨胀过程气体膨胀过程环境压力环境压力环境压力环境压力P环环反抗反抗P膨胀膨胀环环2/23/2023192/23/2023温儒宝温儒宝V1V1气体膨胀过程气体膨胀过程V2V2环境压力P(环)反抗P(环)
10、膨胀2/23/2023202/23/2023温儒宝温儒宝V1V1气体膨胀过程气体膨胀过程向真空膨胀 真空真空2/23/2023212/23/2023温儒宝温儒宝V1V1气体膨胀过程气体膨胀过程向真空膨胀 真空真空V2V22/23/2023222/23/2023温儒宝温儒宝状态函数共同的基本特征状态函数共同的基本特征 1、对于一个指定的状态,、对于一个指定的状态,每一个状态函数均只有一个惟一的确定值。每一个状态函数均只有一个惟一的确定值。2 2、当过程是在指定的始态和终态之间进行时,当过程是在指定的始态和终态之间进行时,状态函数状态函数Z 的改变量(的改变量(Z)只取决于始态和终)只取决于始态和
11、终态,态,有惟一确定有惟一确定值值,与,与过过程程进进行的具体行的具体途径途径无关。无关。Z =Z 2Z 1式中式中Z 1和和Z 2分别表示始态和终态的分别表示始态和终态的Z 值值2/23/2023232/23/2023温儒宝温儒宝5.1.3热和功热和功(课本(课本P84页)页)热和功是体系在发生某一过程时与热和功是体系在发生某一过程时与环境之间交换能量的两种不同形式。环境之间交换能量的两种不同形式。热热(Q )、)、功功(W)单位:单位:J、kJQ:体系和环境之间因温差而传递的能量体系和环境之间因温差而传递的能量W:体系和环境之间除热以外以其它各种体系和环境之间除热以外以其它各种 形式传递的
12、能量形式传递的能量功有多种形式,可分为功有多种形式,可分为体积功体积功和和非体积功非体积功两类两类2/23/2023242/23/2023温儒宝温儒宝能量传递是与过程联系在一起的,能量传递是与过程联系在一起的,没有过程就没有能量传递,亦即没有热和功。没有过程就没有能量传递,亦即没有热和功。热和功是传递中的能量热和功是传递中的能量热和功不是状态函数热和功不是状态函数体系吸热体系吸热Q为正为正(Q0),放热放热Q为负为负(Q0)。体系得功体系得功W为正为正(W0),做功,做功W为负为负(W0)。规定:规定:2/23/2023252/23/2023温儒宝温儒宝在在恒定外压恒定外压下,体积功的计算公式
13、下,体积功的计算公式 Wep外外V 式中式中p外外是环境压力,是环境压力,V=V 2V 1是体系的体积变化。是体系的体积变化。当体系被压缩时(当体系被压缩时(V0)体积功为正值,)体积功为正值,即环境对体系作体积功。即环境对体系作体积功。当体系膨胀时(当体系膨胀时(V0)体积功为负值,即)体积功为负值,即体系对环境作体积功。体系对环境作体积功。2/23/2023262/23/2023温儒宝温儒宝在等压过程中,体积功的计算公式在等压过程中,体积功的计算公式 WpV 式中式中p是压力,是压力,V=V 2V 1是体系的体积变化。是体系的体积变化。当体系被压缩时(当体系被压缩时(V0)体积功为正值,)
14、体积功为正值,即环境对体系作体积功。即环境对体系作体积功。当体系膨胀时(当体系膨胀时(V0)体积功为负值,即)体积功为负值,即体系对环境作体积功。体系对环境作体积功。2/23/2023272/23/2023温儒宝温儒宝A 活塞 截面积V1V2环境压力P环环恒定并等于体系压力P 2/23/2023282/23/2023温儒宝温儒宝V1F=p A环境压力P环环恒定并等于体系压力P 等压膨胀过程A 活塞 截面积气体(气体(压力为P)2/23/2023292/23/2023温儒宝温儒宝V2l移动距离 WF l pA l p(V2V1)=pV V1F=p A等压膨胀过程A 活塞 截面积气体(气体(压力为
15、P)环境压力P环环恒定并等于体系压力P 2/23/2023302/23/2023温儒宝温儒宝化学计量数与反应进度化学计量数与反应进度(课本(课本P87页)页)化学反应式化学反应式 d D+e E=g G+h H上式可改写为上式可改写为0=d De E+g G+h H或或1.化学计量数化学计量数式中式中,d,e,g,h即即B称为称为所给化所给化学反应式中各物质的学反应式中各物质的化学计量数化学计量数 2/23/2023312/23/2023温儒宝温儒宝2.化学反应进度化学反应进度反应过程中,从反应开始到某一时刻,反应过程中,从反应开始到某一时刻,各物质的变化量各物质的变化量nB 之间的关系为之间
16、的关系为化学反应式化学反应式 d D+e E=g G+h H2/23/2023322/23/2023温儒宝温儒宝令令 =称为称为化学反应进度化学反应进度,单位,单位mol。简称反应进度简称反应进度即令即令2/23/2023332/23/2023温儒宝温儒宝t0时 nB/mol 3.0 10.0 0 0 t1时 nB/mol 2.0 7.0 2.0 t2时 nB/mol 1.5 5.5 3.0 2/23/2023342/23/2023温儒宝温儒宝反应进度必须对应具体的反应方程式。反应进度必须对应具体的反应方程式。2.0 7.0 2.0 (mol)3.0 10.0 0 (mol)友情提醒友情提醒2
17、/23/2023352/23/2023温儒宝温儒宝5.2 化学反应能量(课本(课本P86页)页)5.2.1热力学能和焓热力学能和焓5.2.3化学反应热化学反应热5.2.2热力学第一定律热力学第一定律5.2.4热化学方程式热化学方程式5.2.6标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓5.2.5Hess定律定律5.2.7标准摩尔燃烧焓标准摩尔燃烧焓2/23/2023362/23/2023温儒宝温儒宝5.2.1热力学能和焓热力学能和焓(课本(课本P85页)页)体系内的物质含有的一切形式的能量的总和称体系内的物质含有的一切形式的能量的总和称为体系的为体系的热力学能热力学能 ,又称为,又称为内能内能。符号符号U 单
18、位单位 J、kJ热力学能是体系的一个状态函数。热力学能是体系的一个状态函数。热力学能的绝对值目前尚难以测定。热力学能的绝对值目前尚难以测定。体系从状态体系从状态1 1变化到状态变化到状态2 2的热力学能的变化量的热力学能的变化量U=U 2U 1U 称为热力学能变,很容易测定。称为热力学能变,很容易测定。热力学能热力学能 U 只决定于过程的始态和终态只决定于过程的始态和终态2/23/2023372/23/2023温儒宝温儒宝H单位单位:J、kJ。H是由几个状态函数组合而成的。是由几个状态函数组合而成的。状态函数状态函数的组合仍然是状态函数的组合仍然是状态函数,因此焓,因此焓H也是一个也是一个状态
19、函数状态函数.焓的绝对值也尚难以测定。焓的绝对值也尚难以测定。体系从状态体系从状态1 1变化到状态变化到状态2 2的焓的变化量的焓的变化量H=H 2H 1H 称为焓变,也很容易测定。称为焓变,也很容易测定。(课本(课本P85页)页)焓焓(H)H U+pVdef2/23/2023382/23/2023温儒宝温儒宝对于等压过程,有对于等压过程,有对于指定的始终态,对于指定的始终态,U和和H是定值,是定值,与过程的具体途径无关。与过程的具体途径无关。根据焓的定义,有根据焓的定义,有H=H 2H 1=(U+pV)2(U+pV)1=(U 2U 1)+(p2V2p1V1)=U+(pV)H=U+pV 2/2
20、3/2023392/23/2023温儒宝温儒宝5.2.2热力学第一定律热力学第一定律(课本(课本P85页)页)热力学第一定律(能量守恒与转化定律):热力学第一定律(能量守恒与转化定律):“自然界的一切物质都具有能量,能量有各种自然界的一切物质都具有能量,能量有各种不同的形式,并可以从一种形式转化为另一种不同的形式,并可以从一种形式转化为另一种形式,在转化过程中,能量的总值是恒定不变形式,在转化过程中,能量的总值是恒定不变的。的。”2/23/2023402/23/2023温儒宝温儒宝U Q+W热力学第一定律的数学表达式热力学第一定律的数学表达式 设体系从状态设体系从状态1 1经一过程变化到状态经
21、一过程变化到状态2 2,体系的热力学能变化值为体系的热力学能变化值为U 。设过程中体系与环境交换热设过程中体系与环境交换热Q,交换功,交换功W,则过程中体系与环境的交换的净能量是则过程中体系与环境的交换的净能量是Q+W 根据热力学第一定律,应有根据热力学第一定律,应有 2/23/2023412/23/2023温儒宝温儒宝对于指定的始终态对于指定的始终态U Q+W热力学第一定律的数学表达式热力学第一定律的数学表达式 Q 、W与过程的具体途径有关与过程的具体途径有关U 是定值,与过程的具体途径无关。是定值,与过程的具体途径无关。Q+W 是定值,与过程的具体途径无关。是定值,与过程的具体途径无关。2
22、/23/2023422/23/2023温儒宝温儒宝焦耳,焦耳,J.P.(JamesPrescottJoule18181889)英国物理学家英国物理学家为热力学第一为热力学第一定律的建立作定律的建立作出了重要贡献出了重要贡献2/23/2023432/23/2023温儒宝温儒宝在没有非体积功的等容过程中在没有非体积功的等容过程中等容热等容热 QV体系与环境之间交换的热称为等容热。体系与环境之间交换的热称为等容热。U Q+WW=0Q=QV 因此有因此有U QV对于没有非体积功的等容过程,对于没有非体积功的等容过程,指定始终态的指定始终态的QV是定值。是定值。在没有非体积功的等容过程中在没有非体积功的
23、等容过程中2/23/2023442/23/2023温儒宝温儒宝在没有非体积功的等压过程中在没有非体积功的等压过程中等压热等压热 Qp体系与环境之间交换的热称为等压热。体系与环境之间交换的热称为等压热。U Q+WW=pVQ=Qp因此有因此有U Qp pVU+pV Qp等压过程等压过程U+pV=H在没有非体积功的等压过程中在没有非体积功的等压过程中H=Qp2/23/2023452/23/2023温儒宝温儒宝H=Qp此条件下指定始终此条件下指定始终态的态的Qp是定值,是定值,因为焓变因为焓变H是是定值。定值。人们通常直接将人们通常直接将H称为等压热称为等压热 在没有非体积功的等压过程中在没有非体积功
24、的等压过程中2/23/2023462/23/2023温儒宝温儒宝5.2.3化学化学反应热反应热(课本(课本P89页)页)化学反应热化学反应热 在在不作非体积功不作非体积功的的等温等压等温等压或或等温等容等温等容条件条件下,体系在化学下,体系在化学反应过程中与环境交换的热反应过程中与环境交换的热称为称为化学反应热化学反应热,简称,简称反应热反应热。在等压条件下的反应热称为在等压条件下的反应热称为等压反应热;等压反应热;其中其中在等容条件下的反应热称为在等容条件下的反应热称为等容反应热。等容反应热。2/23/2023472/23/2023温儒宝温儒宝等压反应热属于等压热等压反应热属于等压热Qp 范
25、畴,范畴,其值等于反应体系的焓变其值等于反应体系的焓变rH,即,即rH=QprH称为称为反应焓变反应焓变,又称为,又称为反应焓反应焓。下标下标“r”表示化学反应表示化学反应(reaction)。2/23/2023482/23/2023温儒宝温儒宝等容反应热属于等容热等容反应热属于等容热QV 范畴,范畴,其值等于反应体系的热力学能变其值等于反应体系的热力学能变rU,即即rU=QV rU称为称为反应热力学能变反应热力学能变。对于指定的反应物(即指定的始态)和对于指定的反应物(即指定的始态)和指定的产物(即指定的终态),反应热指定的产物(即指定的终态),反应热是定值,与反应进行的具体途径无关。是定值
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