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1、物 理 化 学-基础理论部分,化学与环境工程学院 徐永群,化学专业必修课,推荐几本参考书,Tel：,绪 论,一、物理化学研究的目的和内容1、物理化学的定义 物理化学是从物质的物理现象和化学现象之间的相互联系入手，从而探求化学变化规律的一门科学。,清华大学的定义：用物理学原理研究化学过程所具有的性质和行为的科学。,二者关系:,相互转化化学变化 物理变化 相互联系,常常伴随着物理效应,常常包含着物理过程,化学过程,化学反应伴随着物理效应：,物理变化引起化学变化：,举例：,结论：,物理现象与化学现象总是紧密地联系着的 物理化学就是从这一联系入手从而找出化学变化的规律 目的（可以解决实际问题）,2、物
2、理化学研究的内容,大致可概括为三个方面：1、化学系统的宏观平衡性质；2、化学系统的动态性质；3、化学体系的微观结构和性质。,本课程讲,三、物理化学有什么用？,电动车,单晶硅（区域熔炼）,第一章 热力学第一定律,系统:被研究的对象称为系统 环境:系统以外并与系统 密切相关的部分称为环境,注意：*系统与环境可人为地划分，以研究问题的方便为准则*系统与环境之间存在界面：真实的 虚构的,1.1 热力学基本概念,一、系统与环境,体系,物质和能量的交换,系统与环境之间存在相互作用,三种不同的系统,依系统与环境之间的关系，系统可分为三类。,三种不同的系统,1）敞开系统,依系统与环境之间的关系，系统可分为三类
3、。,系统与环境之间既有物质的交换，又有能量的交换。,（开放体系）,2）封闭系统,系统与环境之间无物质的交换，但有能量的交换。,系统与环境之间既无物质的交换，又无能量的交换。,3）孤立系统,（隔离体系）,但孤立体系可以构成：系统 环境,自然界中不存在绝对的孤立系统!,相互作用小时：可以认为是孤立系统,构成孤立系统,例题:系统与环境的划分（具有人为性）,1)系统:水+电热丝 环境:电源+导线+容器,2)系统:水 环境:电源+导线+容器+电热丝,研究通电后容器内T的变化,研究通电后水的体积的变化,二、系统的性质,性质：指事物的特性，本质。,在热力学中是用系统的宏观性质对系统进行描述的。,体积 压力
4、温度 粘度 表面张力 等,如,（这些都是宏观可测物理量）,热力学性质可分为两大类：广度性质（容量性质）：性质的数值与体系中物质的量成正比（具有加和性）强度性质：性质的数值取决于体系自身的特性，与体系中物质的量无关（不具有加和性）,如：体积V、质量m、熵S 等等,如：温度T、压力p、摩尔热容Cv，m 等等,三、系统的状态,1.系统的状态：系统中全部物理性质和化学性质的综合体现。,(体系一切性质的总和),各种性质一定，系统的状态就一定。任何一个性质发生了变化，系统的状态就要发生变化。,2.状态方程：热力学系统各性质之间有一定的函数关系。,状态方程,关系式称,例：理想气体的状态方程：p=nRT/V,
5、状态函数 状态参量（性质）,状态方程通式,单组分均匀系统：Z=f(T,p,n)多组分均匀系统：Z=f(T,p,n1,n2,n3,.),部分组分的物质的量,状态方程由实验确定，热力学方法无法导出！,3.状态函数的性质,定义：状态函数是状态的函数。,特点：变化值仅与始、终态有关，与变化的途径无关。,(1)体系的状态确定后，状态函数的值便 被确定；(2)体系经历一过程，其状态函数的差值 只取决于体系的始终两态。,A（P1,V1）,(P2,V2)B,沿途径1：从A到B 沿途径2：从A到B,Z1 Z2,状态函数Z的改变值相等,对状态函数的理解!,4.状态函数具有全微分的性质,成立的条件,例：一定量的理性
6、气体的状态方程,这一项对T求导,这一项对V求导,四、热力学平衡态,当系统的诸性质不随时间而变时，则系统就处于热力学平衡态。,力平衡:系统处处压力相等,且与环境相等（无刚性壁存在时）热平衡:系统处处温度相等,且与环境相等（无绝热壁存在时）相平衡:系统中各相的组成和数量均不随时间而变 化学平衡:系统中各物质的量不随时间而变,热力学平衡态包括以下4个平衡：,例,例,说明：亚稳态在存在的一段时间内也可作平衡态系统处理。,不稳定的平衡系统,无宏观量流,五、过程与途径,问题：人们没有严格区分过程与途径，常常把途径说成过程。,准静态过程,准静态过程的特征：过程的推动力为无穷小量df 由一系列无限接近于平衡态
7、的状态组成 完成任一有限量的变化，均需无限长的时间,例：汽缸内气体膨胀的过程,Gas,Beaker,Water,Piston,准静态过程是一种理想的过程，实际并不存在严格意义上的准静态过程，在某些情况下可以近似地实现。,如果该过程无摩擦力，则该准静态过程为,可逆过程,当体系发生某一过程后，如果能使体系和环境都恢复到原来的状态，而不留下任何痕迹的过程称为可逆过程。,（否则为不可逆过程）,对可逆过程的理解：,对不可逆过程的分析：,理想气体向真空膨胀（P外0）,膨胀过程：W1=-P0(V2-V1)=-0(V2-V1)=0 U1=0(记住，理想气体向真空膨胀)Q1 U1-W0,体系恢复后(复原)：,恢复过程：W2=-nRTln(V1/V2)0 U2=-U1=0(状态函数的性质)Q2 U2-W2-W2 0,对可逆过程的说明：,可逆过程是极限的理想过程（自然界的一切实际过程均是不可逆过程）2.可逆过程可以作为过程进行的标准（提高能量使用效率 实际 可逆）3.利用可逆过程可以计算状态函数的改变值（有等量关系，可计算）,接近,
