[理学]第二章 热力学第一定律及其应用.ppt

X射线分析技术及其必威体育精装版进展-翁林红 §2.1 引言 热力学是研究能量相互转换过程中所应遵循的规律的科学。广义的说，热力学是研究系统宏观性质变化之间的关系，研究在一定条件下变化的方向和限度。 热力学可分为经典热力学、统计热力学和非平衡热力学。其中经典热力学是学习热力学的基础。本课程重点学习经典热力学。 热力学的基础是热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。 化学热力学是用热力学的基本原理研究化学现象以及和化学现象有关的物理现象。 化学热力学的主要内容 1. 利用热力学第一定律研究化学变化的热效应问题。 2. 利用热力学第二律预测化学反应在一定条件下进行的方向和限度，以及相平衡、化学平衡问题，并确定产物的理论产量。 如反应： C（石墨） C（金刚石） 通过热力学计算方知，在常温常压下石墨不能变成金刚石。只有在1500atm下，此反应才能变成现实。 化学热力学的主要内容 又如 N2+3H2=2NH3 在常温常压下几乎不进行反应，而必须选择450℃，300 atm 这样的条件下进行反应。在此，热力学的原理在选择反应温度及压力等工艺条件中起了很重要的作用。 3. 热力学第三定律主要是研究低温下物质的运动状态，并为各种物质的热力学函数的计算进一步提供科学方法，解决有关化学平衡的计算问题。 热力学方法的特点和局限性 热力学所用的方法是严格的数理逻辑推理的方法。热力学方法的特点： 1 .只研究宏观性质 热力学的研究对象是具有足够大量质点的系统，即讨论具体对象的宏观性质。对于物质的微观性质，即个别或少数分子、原子的行为不能作出回答。（即不考虑物质的微观结构）。 2 .只重视物质变化过程的始态和终态 热力学只需知到系统的始态和终态以及外界条件，就可进行相应的计算，来判断一个反应的可能性，不需知道过程进行的机理，也不考虑变化过程的速率和完成过程所需的时间。 热力学方法的特点和局限性 3. 只研究大量分子或原子表现的集体行为。 因此，热力学方法属于宏观方法。 热力学方法的局限性： 1. 热力学只能预测在一定条件下某一个化学反 应能否发生，若能发生，反应的最大限度，即理论 产量是多少。但不能说明反应能够进行的根本原 因，而且也不能预测反应的实际产量。 热力学的方法和局限性 2 .没有时间概念 热力学只能告诉我们一个反应能否进行，进行到甚么程度，但不能告诉我们变化所需的时间，所以不涉及过程进行的速率问题。这些特点既是热力学方法的优点，也是它的局限性。 3. 一般来说，热力学研究的是宏观系统的平衡态性质，不涉及个别粒子的微观性质。 §2-2 热力学基本概念 一、系统与环境 系统（System） 在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其余分开，这种分离可以是实际的，也可以是想象的。这种被划定的研究对象称为系统，亦称为物系或体系。 环境（surroundings） 系统以外，并与系统密切相关的部分 系统的分类 根据系统与环境之间发生物质与能量的传递关系，把系统分为三类： 1 .敞开系统：系统与环境既可以有物质的交换，也可以有能量的交换。如加热一烧杯水（烧杯以内为系统）。 2 .封（关）闭系统：系统与环境没有物质的交换，只有能量的交换。如一封闭的反应器（反应器以内为系统）。 系统分类 3 .孤立系统或隔绝系统： 系统与环境之间既没有物质的交换，也没有能量的交换。如绝热性能良好的封闭反应器（反应器以内为系统）。有时把封闭系统和系统影响所及的环境一起作为孤立系统来考虑。 4 .绝热系统： 系统与环境之间没有热的交换，但可以有功的交换。 应该说明的是：系统与环境的划分是人为的，而不是系统本身有甚么本质上的不同。 二、状态和状态函数 系统的状态是系统的物理性质和化学性质的综合表现。系统的状态由系统的性质确定，状态就是系统一切性质的总和。这些性质都是宏观的物理量，如系统的压力、温度、粘度、密度、折光率等。当系统中所有性质都确定时，系统的状态就确定了；如果任何一个性质发生了变化，系统的状态也会随之发生变化。 状态可分为平衡态和非平衡态。如果不改变环境的条件，平衡态系统的各部分在长时间内不会发生任何宏观变化；而非平衡态则迟早都会发生变化。在本课程中，我们只讨论系统平衡态。 状态和状态函数 我们把确定系统状态的性质称为状态性质或称状