[理学]01-物理化学第一章.ppt

朱 霄 绪 论 §0.1 What is Physical Chemistry? §0.2 研究方法 热力学方法：判断化学变化的方向及平衡（宏观）； 统计力学方法：运用大量粒子的微观性质推求宏观性质（微观）； 量子力学：研究分子内部原子及电子的运动（微观）； 动力学：探索化学反应的速率、历程（宏观）； §0.3 研究内容 化学变化的方向与限度---化学热力学(Chemical Thermodynamics) 化学反应的速率与机理---化学动力学(Chemical Kinetics) 物质结构与性质的关系---结构化学 (Structural Chemistry) 前沿方向 计算化学：采用计算软件，研究体系（如蛋白质/水）结构、性质等，如量子化学计算(Gaussian)、分子动力学模拟(gromacs、tinker) ； 谱学实验结合理论模型：如红外光谱、核磁共振波谱结合物理模型研究混合物结构、性质； 传统的热力学方法研究新型体系：如含离子液体体系的汽液平衡； 催化机理研究 §0.4 学习方法 课前预习，课后习题，善记笔记，及时排疑； 理解记忆，牢记前提，注意联系，总结梳理； 二、热力学体系的基础（基石） 热力学的一切结论主要建立在两个经验定律的基础之上，即热力学第一定律和热力学第二定律（这是19世纪发现的，后面将详细讲述）。 所谓经验定律，应有如下特征： 1、是人类的经验总结，其正确性是由无数次的实验事 实所证实； 2、它不能从逻辑上或其他理论方法来加以证明的（不同于定理） ? 20世纪初，又发现了热力学第三定律。虽然其作用远不如第一、第二定律广泛，但对化学平衡的计算具有重大的意义。 三、化学热力学 热力学在化学过程中的应用构成“化学热力学”，其研究对象和内容： 1、判断某一化学过程能否进行（自发）； 2、在一定条件下，确定被研究物质的稳定性； 3、确定从某一化学过程所能取得的最大产量的条件。 ? *这些问题的解决，将对化工生产和基础研究起巨大的作用。 四、热力学的应用 1、优越性：具有牢固的实验和理论基础，只需知道体系的起始状态、最终状态、过程进行的外界条件，就可进行相应计算；而无需知道反应物质的结构、过程进行的机理，具有普遍性和可靠性。 2、局限性： a、无法研究微观结构和反应机理； b、无法获得各别分子的个体行为； c、无法给出变化的时间、历程（化学动力学）； d、热力学的三大定律均为经验定律，并非来自数学推导； 五、几个基本概念 将某一事物的一部分从其他部分划分出来，作为研究对象，而这一部分的物质称为“系统”，体系以外的部分叫做“环境”。 ?例如：我们可以把反应瓶内（包括反应瓶）物质称“系统”，外部环境称“环境”。 “系统”与“环境”之间应有一定的“边界”，这个边界可以是实在的物理界面（如图1（2），（3）），亦可以是虚构的界面（如图1（1）中反应瓶口的虚线） （二）系统的分类 根据系统与环境的关系，热力学体系可分三类： 1.敞开系统open system ：系统与环境间既有物质交换，也有能量 （热交换,如图1.1）； 2.封闭系统closed system ：系统与环境间没有物质交换，只有能量（热等交换,图1.2）； 3.孤立（隔离）系统isolated system ：系统与环境间既无物质交换，也无能量交换,图1.3）； 说明： a、系统与环境的划定（或选择）并没有定规，完全根据客观情况的需要，以处理问题的方便为准。 b、热力学研究的是能量交换的规律，所以一般情况下讨论的是封闭系统，除非特别说明。 （三）系统的性质 1、广度性质（容量性质）：其数量正比于系统中物质的量，具有加和性，如体积、质量、熵、内能等； 2、强度性质：其数量与体系的数量无关，不具有加和性，如温度、压力、密度等； （四）状态和状态函数 1、状态state：是指某一热力学体系的物理性质和化学性质的综合表现，确定（规定）体系状态性质的是体系的状态函数，即不同的体系状态有不同的状态函数，相同的状态有相同的状态函数。 2、状态函数state function：体系的宏观性质，若体系处于某一状态，其状态函数也就确定并不再变化。而这些宏观性质中只要有任意一个发生了变化，我们就说体系的热力学状态发生了变化。 Question: 体系的状态确定，状态函数即确定；状态改变，状态函数即改变； 状态函数的改变只取决于体系的始终态，而与经历的途径无关； 若体系经历循环过程恢复到初始状态，所有的状态函数也都回到初始状态，其变化值为零； 任何一个状态函数都可以表示为其他两个状态函数的函数，如T=f(P,V), V=f(T,P)； 状态函数的改变可以表示为全微分的形式，如V=f(T,P) 推论 由于体系状态函数之