《物理化学教学课件》 物化01-0102.pptVIP

对纯物质系统，有： 状态方程——联系各状态函数的数学方程，但习惯上只将联系 p、V、T、n 的方程称为状态方程 非平衡态(non-equilibrium state)的描述： 当体系处于非平衡态时，体系内部出现各种不均匀性，不可能象平衡态那样，仅需几个变量就可确定体系状态，同时，非平衡态会自发趋向平衡态，体系性质一定随时间变化。所以非平衡态系统的性质既与空间位置有关，也与时间有关。 平衡态远比非平衡态简单！ * 第一章 物质的pVT关系和热性质 pVT Relations and Thermal Properties of substances 1-1 引 言 Introduction 热力学研究的对象：由大量粒子组成的物体，又称为宏观体系。 只含有几个或者几十个分子的体系或者尺度达到星系大小的体系都不是经典热力学研究的对象。 物理化学中，除量子化学部分是研究少量分子构成的微观体系，其他部分的研究对象都是宏观体系。 热力学和力学研究的对象不同，关心的性质也不同。热力学关心的是温度、熵等热学性质，而力学则关心速度、角动量等力学性质。 1. 物质的状态 (State of Substances) ◆ 三种主要的聚集状态： 气体(gas)、液体(liquid)和固体(solid) 气体和液体——流体(fluid) 液体和固体——凝聚态(condensed state) 液晶(liquid cristal)——由棒状或扁盘状分子构成的物质可能处于的一种特殊的状态。有流动性，但分子有明显的取向，具有能产生光的双折射等晶体的特性，是介于液体和固体之间的状态。 ◆ 等离子体(plasma)——由大量离子和电子组成，是物质聚集的第四种状态，占整个宇宙的99%. 常见等离子体形态包括 人造等离子体 地球上的等离子体 太空和天体物理中的等离子体 荧光灯，霓虹灯灯管中的电离气体 核聚变实验中的高温电离气体 电焊时产生的高温电弧，电弧灯中的电弧 火箭喷出的气体 等离子显示器和电视 太空飞船 重返地球时在飞船的热屏蔽层 前端产生的等离子体 在生产集成电路用来蚀刻电介质层的等离子体 等离子球 圣艾尔摩之火 火焰（上部的高温部分） 闪电 球状闪电 大气层中的电离层 极光 中高层大气闪电 太阳和其他恒星（其中等离子体由于热核聚变供给能量产生） 太阳风 行星际物质（存在于行星之间） 星际物质（存在于恒星之间） 星系际物质（存在于星系之间） 木卫一与木星之间的流量管 吸积盘 星际星云 ◆ 物质聚集的其它状态 玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein Condensate)——系统中的所有粒子都处于相同的运动状态。1924年就已经由玻色和爱因斯坦做出预言，但直到1995年，科学家采用激光冷却等技术才首次得到了处于玻色-爱因斯坦凝聚态的铷原子蒸气（2001年诺贝尔物理奖），体系中所有的铷原子都具有相同的动能。 中子态——中子星 超固态——白矮星 2.分子的运动(Motions of Molecules) ◆ 物理化学研究的物质由分子构成的。 ◆ 一方面分子处于永不休止的热运动之中，主要是分子的平动、转动和振动，——无序的起因； ◆ 另一方面，分子间存在着色散力、偶极力和诱导力，有时还可能有氢键或电荷转移，电子云之间还存在着斥力，——使分子趋向于有序排列。 不同条件下，这两方面的相对强弱不同，物质就呈现不同的聚集状态，并表现出不同的宏观性质。 3.两类最基本的宏观平衡性质(Macroscopic Properties of the Substances in Equilibrium) ◆ pVT 关系，即一定数量物质的压力、体积和温度间的依赖关系。 ◆ 热性质，主要是热容、相变热、生成热、燃烧热等；熵也是一个重要的热性质。 它们是在宏观层次应用热力学理论研究平衡规律时，必须结合或输入的物质特性。 4.获得物质特性有三种方法(Obtaining Macroscopic Equilibrium Properties) (1) 直接实验测定 pVT关系测定，量热实验；光谱法测定分子的离解热等。 (2) 经验半经验方法 构作具有一定理论基础又经过合理简化的半经验模型，或是有一定物理意义的经验模型。 (3) 理论方法 需要应用统计力学和量子力学，属于更深入的层次，即从微观到宏观层次以及微观层次的工作。 1-2 系统的状态和状态函数 State and State Function 1.系统和环境(system and surroundings) 系统——所研究的对象(物质和空间) 环境——系统以外的物质和空间 系统——所研究的对象(物质和空间) 环境——系统以外的物质和空