1、工程化学,授课人 微电子学院杨晓辉 联系方式 85842024（0）,Chapter 1 Thermodynamics 化学热力学（4学时）,1.1 基本概念及术语（1） 1.2 热化学（1）1.3 化学反应的方向（1）1.4 标准摩尔反应吉布斯函数变的求算（1）,1.1 Basic Concept 基本概念,1. System ,Surrunding and Phase 系统（体系）, 环境 和 相,我们用观察、实验等方法进行科学研究时，必须先确定所要研究的对象。选取物质世界的一部分作为研究的对象，就称之为系统；把系统以外与系统紧密相关的周围及影响的部分，则称为环境。 例如：在化工厂，有塔、
2、管道、反应釜、泵等设备，假如选取反应釜为研究对象，反应釜即为系统，而反应釜周围的与反应釜相关的其他设备以及大气都可视为环境。见下图,说明：,1. 系统和环境之间可以有实在的物理界面，也可以是想象的界面。 2. 系统和环境的划分或界定不是一成不变的，可视研究的需要而定。,系统的分类：,按系统与环境之间物质和能量的交换情况不同可分为： 敞开系统（open system）： m0，E0 封闭系统（closed system）：m0，E0 孤立（隔离）系统（isolated system）：m0，E0,相的分类：单相和多相（二相以上）,系统中具有相同的物理和化学性质的均匀部分且与其他部分有明显界面分隔
3、开的部分称为相。 气体及气体混合物：一相； 液体：视组分能否互溶而定，可分一相、二相、三相等； 固体：一种物质为一相，有多少种纯固态物质，便有多少相。,2. State and State Function （ 状态 和 状态 函数 ）,（1)只与系统所处的状态有关，而与变化过程无关的物理量，就叫状态函数。 （2)状态一经确定，其状态函数就有一定值。换言之，状态函数是状态的单值函数。 （3)状态发生变化时，其状态函数的改变只由始态及终态决定，而与途径或变化过程无关。,3. Process and Path （过程 和 途经）,系统由一个状态变化到另一个状态，我们就说 它经历了一个过程，变化的具
4、体方式或步骤常 称为途径。 热力学的基本过程恒温（等温）过程恒压（等压）过程恒容（等容）过程绝热过程,提问：,当系统从某一状态出发，经历一系列变化，又重新回到原来的状态，这种变化过程称为循环过程。 问题：循环过程中所有状态函数的变化值为何？,4. Heat and Work （热 和 功 ）,定义：系统与环境间发生能量交换的两种形式。 符号和单位：符号：热q或Q ，功W单位：能量单位。 J（焦耳）mol-1or kJ（千焦）mol-1数值：系统获得能量为正号，系统失去能量为负号。,提问：,若体系吸热，则q的数值如何？若体系放热，则q的数值如何？ 若环境对系统做功，则W的数值如何？若系统对环境做
5、功，则W的数值如何？,【注意点】,（1）热和功都是能量交换的形式，故单位相同。 （2）热和功都不是状态函数，而与变化过程或途径有关。所以，不能说系统内含有多少热或功，但可说系统在某过程中吸收了多少热或做了多少功。 （3）功能完全转变为热，而热不能完全转变为功（因为存在热消耗）。,5. Internal Energy （ 内能/热力学能 ）,定义：系统内部能量的总和。 符号和单位：符号：U（内能），U(内能的变化)单位：能量单位。J mol-1 or kJ mol-1数值：系统内能增加为正号，系统内能减少为负号。,特点：,（1）U的绝对值无法知道，但U可计算出来。 （2）U是状态函数， U=U终
6、U始，故U 只取决于系统的始终态，与变化的途径无关。 （3）只要系统的状态一定，U就有定值；若U变化，状态也发生变化。 （4）循环过程的U？,6. The First Law of Thermodynamics （ 热力学第一定律 ）,推导方法：见下一张 内容： UqW 语言叙述：系统在变化过程中，吸收的热量加上环境对系统所做的功，等于系统热力学能的增量。,热力学第一定律（能量守恒定律）,U2 = U1 + (Q + W) 体系1 体系2U = Q + W U1 U2始态 终态,说明：,“由热力学第一定律可知：U=q+W，因热力学能（或内能）U是状态函数，故U只与体系的始终态有关，与变化的途经
7、无关。所以q+W的数值只与体系的始终态有关，与变化的途经无关。但q和W都不是状态函数，q或W的值与变化的途经有关。”,补充：体积功及热力学第一定律 的计算,例题：某气体反抗恒外压为1atm，从10升膨胀至20升，吸收了 10kJ的热量，则此气体的热力学能变化值为多少？ 公式推导：W P外V P外（V2V1） 单位换算：1 atm.L 101.3 J, 1.2 Thermochemisty热化学,化学反应热或反应热效应 （Heat of Chemical Reaction）,化学反应发生时，总会伴随着各式各样的能量，如热、电、磁、光等，但通常多以热能形式吸收或放出。 当一个化学反应发生后，使产物
8、温度恢复到反应物的起始温度，且体系只做体积功而不做非体积功时，体系吸收或放出的热量称为该反应的热效应。, 1. 2 热化学 / 1.2.1 化学反应热,恒容反应热（恒容热） (Reaction Heat of Constant Volume ),定义: 恒容只做体积功条件下的化学反应热。 2 物理意义: qv = U在恒容只做体积功或者说不做非体积功的条件下进行的化学反应,其反应热在数值上等于系统的热力学能的变化量。 3 说明: qv 在数值上等于U,但物理意义不同。 (qv不是状态函数),恒压反应热（恒压热） (Reaction Heat of Constant Pressure )1 定义
9、：恒压只做体积功条件下的化学反应热。2 物理意义: qp = H在恒压只做体积功或者说不做非体积功的条件下进行的化学反应,其反应热在数值上等于系统的焓的变化量。说明: qp在数值上等于H,但物理意义不同。(qp不是状态函数),补充：热化学方程式,定义：表示化学反应与热效应的关系式。 写法：（1）写出化学反应方程式并配平； （2）注明反应物及生成物的相态或聚集状态 （g、l、s、aq等）； （3）将反应热效应写在等号的右边，一般用符号H 表示； （4）注明反应的温度和压强，主要是温度。 若未注明，表示298K。,举 例：,1. 在298 K，p =100 kPa(1105 Pa)时，H2O(l)
10、H2(g)+1/2O2(g)H=285.83kJmol-1 表示在298 K，100 kPa下，1 mol H2O(l)分解成H2(g)和O2(g)，需吸收285.83 kJ的热量。 2. 在298 K，100 kPa时， H2O(g)H2(g)+1/2O2(g)H=241.82kJmol-1表示什么？ 由此表明：H2O(g)较H2O(l)更容易分解成H2(g)和O2(g)。,qv与qp的关系 ( The Relation of qv and qp ),1 推导方法: 见教材 2 表达式：qp-qv = PV = n(g)RT 3 注意点: (1) 在进行恒容热与恒压热的相互转化的计算中，HU
11、/ qp qv = n(g)RT, R的单位为 8.314J/Kmol，应10-3 换算为KJ/Kmol，算出H或U/qp或qv的单位为 KJ/mol。,(2) n(g)=n产(g) n反(g) ,即产物中与反应 物中气体总的物质的量之差。即化学方程式中气体物质的化学式前面的计量系 数之差。 (3) 对于无气态物质参加及生成的反应，qv与qp的关系如何？,例题讲解,教材 P.9 例1.1 ,焓 (Enthalpy ), 1.2 热化学 / 1.2.2 焓,1 定义式: H = U + PV 2 特点： (1) 焓是状态函数。 (2) 焓具有能量单位: Jmol-1 or kJmol 。 (3)
12、 焓的绝对值也无法确定。,(4) 对于化学反应: H=H生成物 H反应物;若化学反应的H为正值,表示系统从环境吸热,称此反应为吸热反应,即H生成物 H反应物; 相反,化学反应的H为负值, 称此反应为放热反应,即H生成物 H反应物。 (5) 对于可逆反应: H正= H负。 (6) H随温度的变化可以忽略。,盖斯定律 (Hess Law )1 主要内容 第一种叙述: 化学反应热只与反应的始态 和终态有关,而与反应的途径无关.第二种叙述: 不管反应是一步完成还是分 几步完成,只要始终态一定,反应热总是相同的. 应用: 由已知化学反应热计算未知反应的化学反应热., 1.2 热化学 / 1.2.3 盖斯
13、定律,例题:,P.11 中的举例 例1.2 P.36习题3 解题技巧：利用化学反应方程式进行加减法：反应式可以进行相加、相减或乘上一定的系数，则其热效应也随之作相应的变化。,课堂练习：,1. 已知下列热化学方程式： 1）Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g) H1 2 ）3Fe2O3(s)+CO(g)2Fe3O4(s)+CO2(g)H2 3 ）Fe3O4(s)+CO(s) 3FeO(s)+CO2(g) H3 求: 4) FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g)的H4 = ？,解：技巧由已知的方程式相加（减或乘）以消去所求反应式中不存在的物质即可。本题中无Fe3O4(
14、s)、Fe2O3(s) 须消去。(1)3(2)以消去Fe2O3(s) 8CO(g) + 2Fe3O4(s) 6Fe(s) + 8CO2(g)；3H1-H2(1)3(2)(3)2以消去Fe3O4(s) 6CO(g) + 6FeO(s)6Fe(s)+6CO2(g)；3H1 - H2 - 2H3(4)=1/6 CO(g) + FeO(s) Fe(s)+ CO2(g)； H4 = (3H1 - H2 - 2H3)/ 6,2. 已知下列热化学方程式： （1）C(s) + O2(g) CO2(g)H1 = -393.5 kJmol-1 （2）H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l)H2 = -28
15、5.8 kJmol-1 （3 ） C2H6(g)+7/2O2(g)2CO2(g)+3H2O(l) H3 = -1559.9 kJmol-1 求：（4）2C(s) + 3H2 C2H6(g)；H4 = ?答案：H4 = 2H1 + 3H2 - H3 = -84.5 kJmol-1,课堂小结,1.掌握热力学中的一些基本概念：系统、环境和相； 状态和状态函数；过程和途径； 热和功；热力学能或内能； 体积功等。 2.学会体积功及热力学第一定律的计算。,3.理解恒容热与恒压热的定义及其使用条件; 4.掌握恒容热与恒压热相互关系的相互计算; 5.理解盖斯定律,会由已知反应的热效应计算未知反应的热效应。,巩
16、固练习,1氢气与氮气完全混合后可形成几相？ 2. 按系统与环境之间物质和能量的交换情况不同,封闭系统是指怎样的系统？ 3. 什么是状态函数？状态函数的变化与什么有关？ 4. 循环过程的状态函数及其变化值如何？ 5. 热和功有何异同点？ 6. 什么是热力学能或内能？表示符号及规定如何? 有何主要特点？ 7. 若规定体系吸热为正(q0),放热为负(q0),系统对环境做功为负(W0), 则封闭体系的热力学第一定律的表达式是什么？ 8. 在恒压或恒外压下,如何计算体积功？,9恒容反应热与恒压反应热的使用条件分别是什么？ 10. 如何进行恒容反应热与恒压反应热的相互换算？ 11. 盖斯定律的主要内容是什么？如何应用？, 1.2 热化学,课后作业教材P.36 习题1, 2,
