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第二章 化學热力学初步 (Thermodynamics)
第二章 化学热力学初步
(Thermodynamics)
化学热力学主要解决化学反应中的两个问题:
(1)化学反应中能量是如何转化的;
(2)化学反应朝着什么方向进行,
及其限度如何。
第一节 热力学一些常用术语
一、系统与环境(System Surrounding)
被划作研究对象的这一部分物体称为系统。
环境(surrounding):系统之外的一切与其相关的部分。
1、敞开体系(open system):
既有物质交换又有能量交换的体系。如杯中的水。
2、封闭体系(closed system):
没有物质交换只有能量交换的体系。如加盖杯中的水。
3、孤立体系(isolated system):
没有物质交换没有能量交换的体系。如保温杯中的水。
二、状态与状态函数(State State Function)
1、状态:体系的状态是由一系列物理量决定的。这些物理量一定后,体系的状态就定了。如P、V、T、n等。这些物理量中的某一个或几个发生变化则体系的状态也要发生变化。如PV=nRT。
2、状态函数:确定体系状态的物理量(P、V、T)叫状态函数。
3、状态函数的特征:状态函数的变化只与始态和终态有关与过程无关。
三、过程与途径(Process Path)
过程:体系状态发生变化。
途径:完成过程的具体步骤。
1、等温过程(人为变温)
2、等压过程(敞口容器)
3、等容过程(密闭容器)
4、多变过程(拆分处理)
第二节 热力学第一定律
一、热和功(Heat Work)
1、热(Q):由于温差引起的能量传递形式。
恒压热效应(QP)
恒容热效应(QV)
2、功(W):除热以外的其它能量传递形式叫功。
体积功:体系体积变化反抗外力的
功(膨胀功)。
非体积功(电功、表面功)
注意:1、一般,化学反应中体系只作体积功。
2、热和功不是状态函数。因为其大小
与过程进行的途径有关。
二、热力学能(Thermodynamics energy)
内能(U):又称热力学能,指物质内部所蕴藏的各种能量形式的总和(如核能,分子平动、转动、振动能)。内能的绝对值无法知道,但这不影响讨论问题,就象不知绝对高度一样。我们只需知道其变化值(△U )就够了。
注意:内能是状态函数。其变化值只与始终态有关,与过程进行的途径无关。
三、热力学第一定律
1、文字表述:能量具有各种不同的形式,它们之间可以相互转化,而且在转化的过程中能量的总值不变.又叫能量守恒定律。
2、数学形式: ΔU= Q + W
3、符号规定:
热(Q)
体系吸热为正,体系放热为负。
功(W)
体系对环境做功为负,
环境对体系做功为正。
例:某一过程中,体系从环境吸收100KJ的热,体系对环境做了30KJ的功,则体系内能变化为多少。
解:体系吸热为正:Q = 100KJ,
体系做功为负:W = -30KJ。
ΔU= Q + W =100 KJ+(-30 KJ)
= 70 KJ
经过该过程,体系内能增加了70 KJ。
体系温度将升高。
第三节 热化学(Thermochemistry)
一、等容反应热、等压反应热和焓的概念(Enthalpy)
在化学反应中,反应物为体系的始态,产物为体系的终态。反应物和产物内能总和是不同的,反应后,体系总内能会发生改变。其改变量是以热和功的形式表现出来的。这就是反应热产生的原因。
1、等容反应热(QV)
等容下反应ΔV=0,则体系不做体积功W=0。
结论:等容过程中,体系吸收的热(QV)全部用来增加体系的内能(ΔU)
2、等压反应热(QP)
P1=P2=P,ΔP=0,则体系做体积功 W=-P(V2-V1)
其中P、V、U均为状态函数,其组合(U+PV)必为状态函数(H),给一名称叫焓,容量性质,其变化(ΔH)只与始、终态有关与过程进行的途径无关。
结论:等压过程中,体系吸收的热(QP)全部用来增加体系的焓(ΔH)。
(w=-△PV)
通常情况下,大多反应反应是在恒压下进行,常用Q代替QP
若反应中反应物和产物均为液态或固态,则(V2-V1)≈0
若反应中反应物和产物气态,则(V2-V1)≠0,ΔV往往较大,则有:
例:373.15K,101.325kPa下,2.0mol的H2和1.0molO2反应,生成2.0mol的水蒸汽,共放出484KJ的热量。求反应的Δ
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