第1章热化学与能源ppt课件

第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源普通化学普通化学福州大学20102010级土木工程专业级土木工程专业主讲：高绍康主讲：高绍康 联系电话：联系电话：2286613022866130（办公室）（办公室）1396095784613960957846（手机）（手机）E-mail:助教：陈淑妹助教：陈淑妹联系电话：15005047069（手机）第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源祝同学们祝同学们新春快乐新春快乐学习进步学习进步第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 普通化学 (第五版)浙江大学普通化学教研组编浙江大学普通化学教研组编 王明华王明华 徐端钧徐端钧 周永秋周永秋 张殊佳张殊佳 修订修订 高等教育出版社，北京高等教育出版社，北京 出版年：出版年：20022002年年7 7月月教材教材第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源普通化学 绪论一、化学的地位与作用一、化学的地位与作用二、化学的分支二、化学的分支三、学习化学的目的三、学习化学的目的第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源化学是一门既古老又年轻的科学。化学是一门既古老又年轻的科学。化学是研究和创造物质的科学，同工农业生化学是研究和创造物质的科学，同工农业生产和国防现代化，同人民生活和人类社会等产和国防现代化，同人民生活和人类社会等都有非常密切的关系。都有非常密切的关系。研究现状（化合物）研究现状（化合物）：1900年年55万种万种2000年年 2000万种万种时间分辨率时间分辨率：1 fs（1015s）空间分辨率空间分辨率：0.1nm分析所需最小量分析所需最小量：10-13 g。一、化学的地位与作用一、化学的地位与作用第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 化学与数学、化学与数学、物理等同属于自然物理等同属于自然科学。而且化学是科学。而且化学是一门中心性的、实一门中心性的、实用性的和创造性的用性的和创造性的科学。科学。一、化学的地位与作用一、化学的地位与作用第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源1.化学的研究对象化学的研究对象 化学的研究对象化学的研究对象整个物质世界。而与整个物质世界。而与人类关系最大、最直接的物质是由包括原子、人类关系最大、最直接的物质是由包括原子、分子、生物大分子乃至超分子组成，都是化学分子、生物大分子乃至超分子组成，都是化学研究的范围。研究的范围。化学科学在宏观上将是研究和创建化学科学在宏观上将是研究和创建 绿色绿色化化 原理与技术的科学，微观上将是从原子、原理与技术的科学，微观上将是从原子、分子水平上揭示和设计分子水平上揭示和设计 分子分子 功能的科学。功能的科学。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性能及其变化规律的学科。结构、性能及其变化规律的学科。研究对象与范围研究对象与范围 对象对象:原子、分子、晶体、各种天然与人工原子、分子、晶体、各种天然与人工合成大分子。合成大分子。内容内容:组成、结构、物理与化学性质、制备组成、结构、物理与化学性质、制备方法与工艺；物质各种聚集状态（包括晶体、方法与工艺；物质各种聚集状态（包括晶体、非晶体、流体、等离子体、介观与纳米态）下非晶体、流体、等离子体、介观与纳米态）下的性质、功能与应用的性质、功能与应用 。1.化学的研究对象化学的研究对象第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源2.化学的成就化学的成就第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 著名化学家、福大名誉校长著名化学家、福大名誉校长卢嘉锡卢嘉锡院士曾说：院士曾说：“化学发展到今天，已经成化学发展到今天，已经成为人类认识物质自然界、改造物质自然为人类认识物质自然界、改造物质自然界，并从物质和自然界的相互作用得到界，并从物质和自然界的相互作用得到自由的一种极为重要的武器。就人类的自由的一种极为重要的武器。就人类的生活而言，农轻重、吃穿用，无不密切生活而言，农轻重、吃穿用，无不密切地依赖化学。在新技术革命浪潮中，化地依赖化学。在新技术革命浪潮中，化学更是引人瞩目的弄潮儿。学更是引人瞩目的弄潮儿。”第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源2.化学的成就化学的成就 如果没有发明合成氨和尿素，当今世界60多亿人口中有一半要饿死。如果没有抗生素和化学药物，幸存的30亿人平均寿命要缩短25年。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 不仅如此，如果没有化学反应和化学合成不仅如此，如果没有化学反应和化学合成技术，我们将风餐露宿（没有防雨布、复合建技术，我们将风餐露宿（没有防雨布、复合建材、水泥甚至一块塑料布）蓬头垢面（没有肥材、水泥甚至一块塑料布）蓬头垢面（没有肥皂、沐浴液、洗面奶等）。皂、沐浴液、洗面奶等）。我们这些我们这些“新新”人类至今仍在炎炎烈日下人类至今仍在炎炎烈日下上山狩猎、刀耕火种上山狩猎、刀耕火种(没有优选种子、化肥、火没有优选种子、化肥、火药、农药等）或在如墨的黑夜中肩扛步行，围药、农药等）或在如墨的黑夜中肩扛步行，围火取暖（没有空调、煤油、汽油、蜡烛、电池火取暖（没有空调、煤油、汽油、蜡烛、电池甚至火柴）。甚至火柴）。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 1900年，从天然产物中分离提取的化合年，从天然产物中分离提取的化合物加上人工合成的化合物只有约物加上人工合成的化合物只有约55万种；到万种；到1999 年年12月，化合物总数已达月，化合物总数已达2340万种。万种。2.化学的成就化学的成就 在过去的在过去的100年中，化学家合成和分离了年中，化学家合成和分离了2285万种新物质。这些新物质中的一小部分作万种新物质。这些新物质中的一小部分作为新药物、新材料来满足人类的生活和高新技为新药物、新材料来满足人类的生活和高新技术发展的需要。术发展的需要。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 在诺贝尔化学奖中，有在诺贝尔化学奖中，有40多项代表了制备化学的成就。多项代表了制备化学的成就。此外，诺贝尔生物学奖中，也此外，诺贝尔生物学奖中，也有重要药物的发现和合成。有重要药物的发现和合成。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源3.化学是一门中心学科化学是一门中心学科 化学作为中心科学最容易形成交化学作为中心科学最容易形成交叉学科，越来越多的化学家聚集到许叉学科，越来越多的化学家聚集到许多学科的边缘，与其他学科的科学家多学科的边缘，与其他学科的科学家合作。各个学科的科学家都赞同化学合作。各个学科的科学家都赞同化学的知识根基，都认可化学家的作用是的知识根基，都认可化学家的作用是至关重要。至关重要。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源化化 学学能能 源源衣衣食食住住行行材料材料冶金冶金医药卫生医药卫生国防国防资源利用资源利用环境保护环境保护农业农业建材建材汽车汽车化学是一门社会需要的中心科学化学是一门社会需要的中心科学第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源衣：衣：合成纤维，衣料的化学处理，印染等。合成纤维，衣料的化学处理，印染等。食：食：化肥，农药、食品添加剂等。化肥，农药、食品添加剂等。住：住：建筑材料如水泥、石灰、油漆、玻璃、建筑材料如水泥、石灰、油漆、玻璃、塑料等。塑料等。行：行：各种燃料如汽油、柴油及其添加剂、防各种燃料如汽油、柴油及其添加剂、防 冻剂、润滑剂等。冻剂、润滑剂等。日常生活：日常生活：药品、洗涤剂、化妆品等。药品、洗涤剂、化妆品等。化学是一门社会需要的中心科学化学是一门社会需要的中心科学第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源化学是一门社会需要的中心科学化学是一门社会需要的中心科学 社会的发展也离不开化学。化学对社会的发展也离不开化学。化学对于实现农业、工业、国防和科学技术现于实现农业、工业、国防和科学技术现代化具有十分重要的作用。代化具有十分重要的作用。目前，国际上最关心的几个重大问目前，国际上最关心的几个重大问题题环境保护、能源开发与利用、功环境保护、能源开发与利用、功能材料的研制、生命现象的探索能材料的研制、生命现象的探索都都与化学密切相关与化学密切相关。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 移上游之花，可以接下游科学之木。3.化学是一门中心学科化学是一门中心学科第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源化化 学学物理学物理学计算与信息科学计算与信息科学天文学天文学数数 学学地地 学学工程科学工程科学生命科学生命科学材料科学材料科学化学是承上启下的中心学科化学是承上启下的中心学科第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 化学也经常从其他学科中汲取关键化学也经常从其他学科中汲取关键性的养分，来发展自己。所以，性的养分，来发展自己。所以，21世纪世纪是物理学、化学、生命科学、材料科学、是物理学、化学、生命科学、材料科学、信息科学、能源科学、海洋科学、空间信息科学、能源科学、海洋科学、空间科学等科学相互交叉、相互渗透、共同科学等科学相互交叉、相互渗透、共同繁荣的世纪。繁荣的世纪。3.化学是一门中心学科化学是一门中心学科第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源化学生物学生物化学生物化学化学生物学化学生物学生命化学生命化学生物大分子结构化学生物大分子结构化学3.化学是一门中心学科化学是一门中心学科第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源改造世界和保护世界改造世界和保护世界普通化学普通化学绪论绪论第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源v 化学仍是解决食物短缺问题的主要学化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一科之一v 化学将续推动材料科学发展化学将续推动材料科学发展v 化学是提高人类生存质量和生存安化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障全的有效保障v 化学在能源和资源的合理开发和高化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用效安全利用中起关键作用v 化学是生命科学的重要支柱化学是生命科学的重要支柱第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 21世纪的化学以其中心科学之重世纪的化学以其中心科学之重当仁不让地继续在环境、能源、材料当仁不让地继续在环境、能源、材料三大领域起主导作用。同时，化学秉三大领域起主导作用。同时，化学秉其其“化学化学”擅变之妙，通过与物理、擅变之妙，通过与物理、信息、生命、海洋、空间和核科学等信息、生命、海洋、空间和核科学等六大领域的交叉而使自己愈发异彩纷六大领域的交叉而使自己愈发异彩纷呈。呈。普通化学普通化学绪论绪论第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源化学的魅力在于化学的魅力在于 能变废为宝，能变废为宝，化腐朽为神奇。化腐朽为神奇。普通化学普通化学绪论绪论第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源l无机化学：无机化学：研究无机物的组成、结构、性质和无研究无机物的组成、结构、性质和无机反应与过程的化学。机反应与过程的化学。二、化学的分支二、化学的分支l有机化学：有机化学：研究碳氢化合物及其衍生物的化学，研究碳氢化合物及其衍生物的化学，亦称碳的化学。亦称碳的化学。l分析化学：分析化学：测量和表征物质的组成和结构的学科。测量和表征物质的组成和结构的学科。l物理化学：物理化学：研究所有物质系统的化学行为的原研究所有物质系统的化学行为的原理、规律和方法的学科。理、规律和方法的学科。l高分子化学：高分子化学：研究高分子化合物的结构、性能与反研究高分子化合物的结构、性能与反应、合成方法、加工成型及应用的化学。应、合成方法、加工成型及应用的化学。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 应用方面应用方面(交叉边缘学科交叉边缘学科)有有：燃料化学、：燃料化学、环境化学、材料化学、环境化学、材料化学、生物化学生物化学、放射化学放射化学、激光化学激光化学、地质化学地质化学、计算化学计算化学、能源化学能源化学、绿色化学绿色化学、化学信息学化学信息学、纳米化学纳米化学、化学生化学生物学物学等。等。普通化学作为一门基础课程，将对化学普通化学作为一门基础课程，将对化学科学各分支的基础知识作一整体的介绍。科学各分支的基础知识作一整体的介绍。二、化学的分支二、化学的分支第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 我们已进入多学科的时代，学科的我们已进入多学科的时代，学科的界线越来越模糊。对一个人的科学素质界线越来越模糊。对一个人的科学素质要求，也更加多样化和综合化。科学素要求，也更加多样化和综合化。科学素质不仅仅是传统的数学、物理、化学和质不仅仅是传统的数学、物理、化学和生物等学科的知识，还包括了这些基础生物等学科的知识，还包括了这些基础学科之间交叉、融合的许多新兴学科和学科之间交叉、融合的许多新兴学科和边缘学科的知识。边缘学科的知识。三、学习化学的目的三、学习化学的目的第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 对新世纪的大学生来说，其知识结对新世纪的大学生来说，其知识结构应包含专业知识、人文知识和一定的构应包含专业知识、人文知识和一定的管理知识。而在专业知识中，必须有宽管理知识。而在专业知识中，必须有宽厚扎实的自然科学知识基础，才能掌握厚扎实的自然科学知识基础，才能掌握和应用好本专业的知识，才能在综合素和应用好本专业的知识，才能在综合素质中表现出开拓性和创造性。质中表现出开拓性和创造性。三、学习化学的目的三、学习化学的目的第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 化学学科研究的对象生动有趣，化学现象变化多，化学学科研究的对象生动有趣，化学现象变化多，既有宏观的也有微观的，又贴近生活，有自己一套既有宏观的也有微观的，又贴近生活，有自己一套“语言语言”，有独特的，有独特的“学科文化学科文化”。我们在学习化学。我们在学习化学知识的同时，可以了解化学学科的发展过程、发展特知识的同时，可以了解化学学科的发展过程、发展特点和发展趋势，学会化学学科观察事物的方法和思维点和发展趋势，学会化学学科观察事物的方法和思维方式。方式。三、学习化学的目的三、学习化学的目的 化学知识是自然科学知识中必不可少的知识之一，化学知识是自然科学知识中必不可少的知识之一，它对自然界的理解和观察有独到的地方。因为它涉及它对自然界的理解和观察有独到的地方。因为它涉及的范围无所不包，在人们生活中无处不在。的范围无所不包，在人们生活中无处不在。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 对非化学专业的大学生来说，学习、掌握对非化学专业的大学生来说，学习、掌握一定的化学知识，了解化学观察事物的有关方一定的化学知识，了解化学观察事物的有关方法，并使其法，并使其从知其然上升到知其所以然从知其然上升到知其所以然，就可，就可能在今后的工作、生活中，从自己的知识宝库能在今后的工作、生活中，从自己的知识宝库中产生创新、创造的力量。中产生创新、创造的力量。了解当代化学学科的概貌；了解当代化学学科的概貌；用化学的观点分析、认识生活和工作中的用化学的观点分析、认识生活和工作中的化学问题。化学问题。三、学习化学的目的三、学习化学的目的第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 使同学具有必备的近代化学基本理使同学具有必备的近代化学基本理论、基本知识和基本技能；论、基本知识和基本技能；培养高素质人才。使同学成为知识培养高素质人才。使同学成为知识面宽、基础扎实、有开拓创新能力的高面宽、基础扎实、有开拓创新能力的高素质人才。素质人才。了解这些理论知识和技能在工程实了解这些理论知识和技能在工程实际的应用；际的应用；三、学习化学的目的三、学习化学的目的第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源课程的内容安排：课程的内容安排：1.1.化学反应基本原理（宏观体系部分）化学反应基本原理（宏观体系部分）化学热力学、化学动力学、水化学、电化化学热力学、化学动力学、水化学、电化学等。学等。2.2.物质结构基础（微观体系部分）物质结构基础（微观体系部分）原子结构、分子结构、固体结构、配合物原子结构、分子结构、固体结构、配合物结构等。结构等。I.理论部分第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源.实验部分（独立设课）：开设4个实验。（时间：第310周的周四、周五下午，单双周）.基本知识和应用化学（自学）单质和化合物的知识，化学与能源、环境、单质和化合物的知识，化学与能源、环境、材料、信息、生命和健康，以及与人文社会的材料、信息、生命和健康，以及与人文社会的关系和互相渗透等内容。关系和互相渗透等内容。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源教材：普通化学（第五版）（第五版）（面向（面向21世纪课程教材）世纪课程教材）浙江大学普通化学教研组浙江大学普通化学教研组高等教育出版社高等教育出版社普通高等教育普通高等教育“九五九五”国家教委重点教国家教委重点教材材第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源主要参考书主要参考书1.无机化学（第四版）无机化学（第四版）武汉大学主编武汉大学主编 高教版高教版 2.无机化学（第四版）无机化学（第四版）大连理工大学无机教研大连理工大学无机教研室编，高等教育出版社出版室编，高等教育出版社出版3.无机化学析疑与习题解析无机化学析疑与习题解析 大连理工大学无机大连理工大学无机教研室编，高等教育出版社出版教研室编，高等教育出版社出版 4.4.大学化学大学化学 曾政权曾政权等编等编 重庆大学出版社重庆大学出版社5.大学化学原理大学化学原理 朱启祯等编朱启祯等编 科技出版社科技出版社 第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源五、学习方法及考核五、学习方法及考核1 1以化学基本原理为纲以化学基本原理为纲 热力学原理热力学原理 -宏观宏观结构化学原理结构化学原理(原子、分子、晶体原子、分子、晶体)微观微观 元素化学元素化学 -宏观和微观宏观和微观2 2预习预习-复习复习 -习题习题总结总结记忆重要性质、规律性、特殊性、反常性。记忆重要性质、规律性、特殊性、反常性。3 3作业作业 通过课后习题巩固理论知识。通过课后习题巩固理论知识。独立完成独立完成4 4实验实验 巩固理论知识。巩固理论知识。预习和操作预习和操作第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 理论课：理论课：重点弄清各章的知识点、重点和重点弄清各章的知识点、重点和难点。课堂上认真听讲、课后认真复习与消化、难点。课堂上认真听讲、课后认真复习与消化、认真完成作业。认真完成作业。实验实验是课程的重要环节，做实验能加深与巩是课程的重要环节，做实验能加深与巩固对基本理论和知识的理解；能训练基本操作固对基本理论和知识的理解；能训练基本操作技能，培养独立操作、观察记录、分析归纳，技能，培养独立操作、观察记录、分析归纳，写报告等多方面的能力以及科学工作方法。写报告等多方面的能力以及科学工作方法。实验实验要求：要求：写好预习报告，不得迟到、缺席，写好预习报告，不得迟到、缺席，独立操作，独立写实验报告。独立操作，独立写实验报告。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源课程考核方式 结构成绩制结构成绩制 1.期末统考成绩期末统考成绩(9080%)2.平时作业和考核平时作业和考核(1020%)第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源第第1章章 热化学与能源热化学与能源 本章知识要点：本章知识要点：1.掌握理想气体定律、分压定律及其有关计算；掌握理想气体定律、分压定律及其有关计算；2.掌握化学计量数和反应进度的概念；掌握化学计量数和反应进度的概念；3.理解热力学第一定律及理解热力学第一定律及qp与与qv的关系；的关系；4.掌握盖斯定律及有关计算；掌握盖斯定律及有关计算；5.掌握掌握标准摩尔生成焓、反应标准焓变标准摩尔生成焓、反应标准焓变及其有及其有关计算。关计算。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源1.1 理想气体定律理想气体定律1.2 热力学的基本概念热力学的基本概念1.3 反应热的理论计算反应热的理论计算第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 1.1 理想气体定律理想气体定律一、气体的基本物理特性一、气体的基本物理特性二、理想气体定律二、理想气体定律三、理想气体定律的应用三、理想气体定律的应用四、分压定律与分体积定律四、分压定律与分体积定律第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 1.1 理想气体定律理想气体定律 1.扩散性扩散性一、气体的基本物理特性一、气体的基本物理特性 气体没有固定的体积和形状。组成气体气体没有固定的体积和形状。组成气体的分子处于永恒地无规则的运动中。的分子处于永恒地无规则的运动中。2.可压缩性可压缩性 在通常的温度压力下，气体分子间相距在通常的温度压力下，气体分子间相距甚远，且本身所占有的体积很小，故易被甚远，且本身所占有的体积很小，故易被压缩。压缩。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 气体的基本物理特性是它的扩散性和易气体的基本物理特性是它的扩散性和易压缩性。气体密度小，不同的气体可以任意压缩性。气体密度小，不同的气体可以任意比例混合。不管容器的大小以及气体量的多比例混合。不管容器的大小以及气体量的多少，气体都能充满整个容器，而且不同气体少，气体都能充满整个容器，而且不同气体能以任意的比例互相混合从而形成均匀的气能以任意的比例互相混合从而形成均匀的气体混合物。气体的体积随系统的温度和压力体混合物。气体的体积随系统的温度和压力的改变而改变。的改变而改变。一、气体的基本物理特性一、气体的基本物理特性第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源二、理想气体定律二、理想气体定律1.理想气体状态方程式理想气体状态方程式 波义尔定律：当波义尔定律：当n和和T一定时，气体的一定时，气体的V与与p成反比成反比 V 1/p （1 1）查理查理-盖吕萨克定律：盖吕萨克定律：n和和p一定时一定时，V与与T成成正比正比 V T （2 2）阿佛加德罗定律：阿佛加德罗定律：p与与T一定时，一定时，V和和n成正成正比比 V n （3 3）第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 以上三个经验定律的表达式归纳合并后可以上三个经验定律的表达式归纳合并后可得到：得到：V nT/p (4)实验测得实验测得(4)的比例系数是的比例系数是R，于是有于是有 pV=nRT (5)式中式中 n：气体物质的量；气体物质的量；R：气体常数：气体常数；T：气体绝对温度气体绝对温度；p：气体压力；：气体压力；V：体积。体积。注意：注意：R的取值，的取值，p、V、n、T的单位。的单位。二、理想气体定律二、理想气体定律1.理想气体状态方程式理想气体状态方程式 第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源理想气体状态方程式也可表示为：理想气体状态方程式也可表示为：或或 MRTp (7)式中式中 m质量；质量；M摩尔质量摩尔质量;（nm/M）密度，密度，mV。1.理想气体状态方程式理想气体状态方程式 RTMmpV(6)第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源2.气体常数气体常数 R 在标准状况在标准状况(STP)下下,T=273.15 K，p=101.325 kPa,实验证明实验证明1 mol气体的标准摩尔体气体的标准摩尔体积积Vm=22.414dm3=22.41410-3 m3,则由式则由式(1)可可求得求得 3101325 22.414 108.3141 273.15pVRnT(Jmol-1K1)二、理想气体定律二、理想气体定律第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源3、理想气体定义、理想气体定义 理想气体：理想气体：把气体中的分子看成是几何上把气体中的分子看成是几何上的一个点，它只有位置而无体积，同时假的一个点，它只有位置而无体积，同时假定气定气 体中分子间没有相互作用力，那么体中分子间没有相互作用力，那么这样的气体称为理想气体。理想气体是实这样的气体称为理想气体。理想气体是实际气体的一种极限情况际气体的一种极限情况。实际气体只有在高温低压的情况下才能实际气体只有在高温低压的情况下才能把它近似地看成理想气体。把它近似地看成理想气体。二、理想气体定律二、理想气体定律第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 当实际气体的体积很大当实际气体的体积很大(压力很小压力很小)，而且大大超过分子本身的体积时，分子本而且大大超过分子本身的体积时，分子本身的体积可以忽略不计；当气体分子与分身的体积可以忽略不计；当气体分子与分子之间的距离较大时，分子与分子之间的子之间的距离较大时，分子与分子之间的相互吸引力与气体分子本身的能量相比，相互吸引力与气体分子本身的能量相比，亦可忽略不计。因此，这种情况下的实际亦可忽略不计。因此，这种情况下的实际气体可看成为理想气体。气体可看成为理想气体。低压、高温下的低压、高温下的实际气体的性质非常接近于理想气体。实际气体的性质非常接近于理想气体。3、理想气体定义、理想气体定义 二、理想气体定律二、理想气体定律第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源4.4.实际气体的状态方程式实际气体的状态方程式 实际气体与理想气体相比总有一定实际气体与理想气体相比总有一定的偏差，偏差的大小除与气体本身性质有的偏差，偏差的大小除与气体本身性质有关外，还与温度、压力有关。当压力较低、关外，还与温度、压力有关。当压力较低、温度较高时的实际气体可近似看成理想气温度较高时的实际气体可近似看成理想气体。一般在常温常压下的实际气体与理想体。一般在常温常压下的实际气体与理想气体的偏差较小气体的偏差较小(在在5之内之内)。二、理想气体定律二、理想气体定律第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源理想气体假设理想气体假设(1)(1)：分子间引力可忽略不计。但分子间引力可忽略不计。但实际上气体分子间不可能没有引力，所以这种实际上气体分子间不可能没有引力，所以这种情况下气体分子碰撞器壁时所表现出来的压力情况下气体分子碰撞器壁时所表现出来的压力要比无分子间引力时为小，即要比无分子间引力时为小，即 ：p实际实际 V理想理想 4.4.实际气体的状态方程式实际气体的状态方程式 第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源由以上分析可知，若对实际气体的压力由以上分析可知，若对实际气体的压力(p实际实际)与体积与体积(V实际实际)各引入一个修正项，则理想气体各引入一个修正项，则理想气体状态方程式便可适用于实际气体。荷兰的物理状态方程式便可适用于实际气体。荷兰的物理学家学家Van der waals对理想气体状态方程进行了对理想气体状态方程进行了如下修正：如下修正：1mol气体气体n mol气体气体RTbVVap2(8)nRTnbVnVap2(9)第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 上式称为上式称为Van der Waals方程。方程。式中式中a,b称称Van der Waals常数。常见气体的常数。常见气体的a和和b的值可查的值可查化学数据表。化学数据表。Van der Waals方程是一个半经验方程，用其方程是一个半经验方程，用其对实际气体进行计算，优于用理想气体状态方对实际气体进行计算，优于用理想气体状态方程计算的结果。由于实际气体与理想气体有偏程计算的结果。由于实际气体与理想气体有偏差，所以我们在解决实际问题时应引起重视。差，所以我们在解决实际问题时应引起重视。RTbVVap2nRTnbVnVap2气体10a(Pam6mol-2)104b(m3mol-1)He0.034570.2370H20.24760.2661Ar1.3630.3219O21.3780.3183N21.4080.3913CH42.2830.4278CO23.6400.4267HCl3.7160.4081NH34.2250.3707NO25.3540.4424H2O5.5360.3049C2H65.5620.6380SO26.8030.5636C2H5OH12.180.8407 表表1-1 某些气体的某些气体的Van der Waals 常数常数第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源三、三、理想气体定律的应用理想气体定律的应用1.计算计算p、V、T、n中的任意物理量；中的任意物理量；2.确定气体的密度和摩尔质量。确定气体的密度和摩尔质量。1.1 理想气体定律理想气体定律第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源例例1.已知淡蓝色氧气钢瓶容积为已知淡蓝色氧气钢瓶容积为50 L，在，在20 时，当时，当它的压力为它的压力为1000kPa时，估算钢瓶内所剩氧气的质量。时，估算钢瓶内所剩氧气的质量。gRTMpVm8.65620273314.850100032 解解：由(6)式 得得:RTMmnRTpV三、三、理想气体定律的应用理想气体定律的应用第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源四、分压定律与分体积定律（四、分压定律与分体积定律（P55P55）1.理想混合气体理想混合气体 当几种不同气体在同一容器中混合时，当几种不同气体在同一容器中混合时，如果它们相互间不发生化学反应，分子间如果它们相互间不发生化学反应，分子间的相互作用和分子本身的体积可以忽略不的相互作用和分子本身的体积可以忽略不计，那么它们就互不干扰，如同单独存在计，那么它们就互不干扰，如同单独存在于容器中一样，该气体混合物就称为理想于容器中一样，该气体混合物就称为理想混合气体。混合气体。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源2.分压和分压定律分压和分压定律 分压分压 pi 是指混合气体中是指混合气体中某一组分气体某一组分气体 i 在与混在与混合气体处于相同温度下时，单独占有合气体处于相同温度下时，单独占有整个容积整个容积时所时所呈现的压力。混合气体的总压等于各气体分压的代呈现的压力。混合气体的总压等于各气体分压的代数和，此即为分压定律：数和，此即为分压定律：iip总压 pp1+p2+p3+（10）分压 pini RTV（11）四、分压定律与分体积定律四、分压定律与分体积定律第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 n1RT/Vn2RT/V p1p2pi p(n1+n2+n3+)RT V 由由 pVn RT可推导出式可推导出式(11)，推导如下：，推导如下：12iinnnn将该式代入上式，得将该式代入上式，得第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源若以若以 pnRT/V 除式(11)，则可得iipnpn或 iinxn令iinppn 式中式中xi为某组分气体为某组分气体i的摩尔分数。该式为的摩尔分数。该式为Dalton分压定律的另一种表示形式。分压定律的另一种表示形式。iipx p则(12)2.分压和分压定律分压和分压定律第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源分体积分体积(Vini RTp)是指混合气体中是指混合气体中任一气体任一气体在与混合气体处于相同温度下，保持与混合在与混合气体处于相同温度下，保持与混合气气体总压体总压相同时所占有的体积。相同时所占有的体积。混合气体的总体积等于各气体的分体积的代数混合气体的总体积等于各气体的分体积的代数和，这一规律叫做和，这一规律叫做分体积定律分体积定律。iiVVVl+V2+V3+(13)3.分体积定律分体积定律第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源由式由式(12)和式和式(14)可得可得 iiiiipVnxpVniipx ppi同样可得：同样可得：Vi i V (14)四、分压定律与分体积定律四、分压定律与分体积定律3.分体积定律分体积定律第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 例例2.实验室用实验室用KClO3分解制取氧气时，在分解制取氧气时，在25、101.0kPa压力下，用排水取气法收集到氧气压力下，用排水取气法收集到氧气2.4510-1L(收集时瓶内外水面相齐收集时瓶内外水面相齐)。已知。已知25时时水的饱和蒸气压为水的饱和蒸气压为 3.17kPa，求在，求在0 101.3kPa时时干燥氧气的体积。干燥氧气的体积。解：解：T1298K，V12.4510-1Lp 1=p(O2)=p湿湿p(H2O)=101.03.17 =97.83(kPa)T2273K，p2101.3kPa第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源则由理想气体状态方程可得则由理想气体状态方程可得 111222TVpTVp LpTTVpV112121121017.2 3.1012982731045.283.97第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源例例4.某容器中含有某容器中含有NH3、O2、N2等气体的混合物。取等气体的混合物。取样分析后，其中样分析后，其中n（NH3）=0.320mol，n（O2）=0.180mol，n（N2）=0.700mol。混合气体的总压。混合气体的总压p=133.0kPa。试计算各组分气体的分压。试计算各组分气体的分压。解：解：n=n（NH3）+n（O2）+n（N2）=0.320mol+0.180mol+0.700mol =1.200mol kPa 35.5kPa 0.1331.2000.320 )(NH)(NH33pnnp第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源p(N2)=p-p(NH3)-p(O2)=(133.0-35.5-20.0)kPa =77.5kPa20.0kPakPa5.35320.0180.0OO22pnnp第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 1.对于对于,两种混合气体两种混合气体,下列公式中不正确下列公式中不正确的是的是()(A)p总总V总总=n总总RT (B)pAVA=nART (C)p总总VA=nART (D)B总混混pRTM 2.实际气体和理想气体更接近的条件是实际气体和理想气体更接近的条件是()(A)高温高压高温高压 (B)低温高压低温高压 (C)高温低压高温低压 (D)低温低压低温低压 C 练习练习选择题选择题第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 3.在等温条件下在等温条件下,1.00 dm3密闭容器中装密闭容器中装有有 A 和和 B 的混合气体的混合气体,其总压力为其总压力为 100 kPa，气体气体 A 的分压为的分压为 50 kPa,则下列说法中不正则下列说法中不正确的是确的是-()(A)A 的摩尔分数为的摩尔分数为 0.50 (B)A 与与 B 的物质的量相等的物质的量相等 (C)A 的分体积为的分体积为 0.50 dm3 (D)A 与与 B 物质的量之比为物质的量之比为 12 D第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源1.2 热力学的基本概念热力学的基本概念 化学反应发生时，总是伴随着能量的变化。能化学反应发生时，总是伴随着能量的变化。能量的形式有多种，但通常多以热的形式放出或吸收。量的形式有多种，但通常多以热的形式放出或吸收。能量可以被贮存和转化，热和功是能量传递的两种能量可以被贮存和转化，热和功是能量传递的两种形式。形式。研究热和其他形式能量相互转化之间关系的科研究热和其他形式能量相互转化之间关系的科学称为学称为热力学热力学。应用热力学原理，研究化学反应过程中能量变应用热力学原理，研究化学反应过程中能量变化的规律和定量关系的科学，称为化的规律和定量关系的科学，称为化学热力学，化学热力学，简简称称热化学热化学。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 热力学热力学是在研究提高热机效率的实践中发展起来是在研究提高热机效率的实践中发展起来的；十九世纪建立起来的的；十九世纪建立起来的热力学第一热力学第一、第二第二两个定律两个定律奠定了热力学的基础，使热力学成为研究热能和机械奠定了热力学的基础，使热力学成为研究热能和机械能以及其它形式的能量之间的转化规律的一门科学。能以及其它形式的能量之间的转化规律的一门科学。二十世纪初建立的二十世纪初建立的热力学第三定律热力学第三定律使得热力学臻于完使得热力学臻于完善。善。化学热力学化学热力学可以解决化学反应中能量变化、化学可以解决化学反应中能量变化、化学反应进行的方向和限度等问题。这些正是化学工作者反应进行的方向和限度等问题。这些正是化学工作者极其关注的问题。极其关注的问题。1.2 热力学的基本概念热力学的基本概念第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 化学热力学化学热力学在讨论物质的变化时，着眼于在讨论物质的变化时，着眼于宏观宏观性质性质的变化，不涉及物质的微观结构，可得到许多的变化，不涉及物质的微观结构，可得到许多有用的结论。运用化学热力学方法研究化学问题时，有用的结论。运用化学热力学方法研究化学问题时，只需知道研究对象的起始状态和最终状态，而无需只需知道研究对象的起始状态和最终状态，而无需知道变化过程的机理，即可对许多过程的一般规律知道变化过程的机理，即可对许多过程的一般规律加以探讨。这是化学热力学最成功的一面。应用化加以探讨。这是化学热力学最成功的一面。应用化学热力学讨论变化过程，没有时间概念，因此不能学热力学讨论变化过程，没有时间概念，因此不能解决变化进行的速度及其它和时间有关的问题。这解决变化进行的速度及其它和时间有关的问题。这又使得化学热力学的应用有一定的局限性。又使得化学热力学的应用有一定的局限性。1.2 热力学的基本概念热力学的基本概念第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源1.2 热力学的基本概念热力学的基本概念一、热力学基本概念一、热力学基本概念二、化学反应计量式和反应进度二、化学反应计量式和反应进度三、反应热三、反应热第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源化学热力学化学热力学主要解决化学反应中的三个问题：主要解决化学反应中的三个问题：化学反应中能量是如何转化的；化学反应中能量是如何转化的；化学反应的方向性问题；化学反应的方向性问题；反应进行的程度问题。反应进行的程度问题。应用热力学原理，研究化学反应过程中应用热力学原理，研究化学反应过程中能量变化的规律和定量关系的科学就叫做能量变化的规律和定量关系的科学就叫做化化学热力学学热力学，也叫，也叫热化学热化学。1.2 热力学的基本概念热力学的基本概念第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源1、系统和环境、系统和环境 热力学中把研究的物质或对象称为热力学中把研究的物质或对象称为系统系统，将系统，将系统以外的其它部分称为以外的其它部分称为环境环境。系统也称体系。系统也称体系。例如，我们要研究密闭容器中锌与稀硫酸的反应，则例如，我们要研究密闭容器中锌与稀硫酸的反应，则可将溶液及其上方的空气、反应产生的氢气定为可将溶液及其上方的空气、反应产生的氢气定为系统系统，将容器以及容器以外的物质当作将容器以及容器以外的物质当作环境环境。如果容器是敞。如果容器是敞开的，则系统与环境的界面只能是假想的。但我们所开的，则系统与环境的界面只能是假想的。但我们所说的环境，经常指那些和系统之间有密切关系的部说的环境，经常指那些和系统之间有密切关系的部分分 。一、热力学基本概念一、热力学基本概念1.2 热力学的基本概念热力学的基本概念第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 按照系统与环境之间的按照系统与环境之间的有无物质和能量的交换有无物质和能量的交换，通常可将系统分为三类：通常可将系统分为三类：敞开系统：敞开系统：系统与环境之间既有能量交换又系统与环境之间既有能量交换又有物质交换。又称有物质交换。又称开放系统开放系统。封闭系统：封闭系统：系统与环境之间有能量交换但没有系统与环境之间有能量交换但没有物质交换。物质交换。孤立系统：孤立系统：系统与环境之间既无能量交换，系统与环境之间既无能量交换，又无物质交换。又称又无物质交换。又称隔离系统隔离系统。系统环境系统环境 孤立系统孤立系统 一、热力学基本概念一、热力学基本概念1、系统和环境、系统和环境第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 例如，在一敞口杯中盛满热水，以热水为系例如，在一敞口杯中盛满热水，以热水为系统则是一统则是一敞开系统敞开系统。降温过程中系统向环境放出。降温过程中系统向环境放出热能，又不断地有水分子变为水蒸气逸出。若在热能，又不断地有水分子变为水蒸气逸出。若在杯上加一个不让水蒸发出去的盖子，则避免了与杯上加一个不让水蒸发出去的盖子，则避免了与环境间的物质交换，于是得到一个环境间的物质交换，于是得到一个封闭系统封闭系统。若。若将杯子换成一个理想的保温瓶，杜绝了能量交换，将杯子换成一个理想的保温瓶，杜绝了能量交换，于是得到一个于是得到一个孤立系统孤立系统。1、系统和环境、系统和环境在热力学中，我们主要研究封闭系统。在热力学中，我们主要研究封闭系统。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源系统和环境系统和环境第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源2、系统的性质、系统的性质 质量、体积、温度、压力、密度、组成等系统质量、体积、温度、压力、密度、组成等系统的一切宏观性质叫做的一切宏观性质叫做系统的热力学性质，系统的热力学性质，简称简称系统系统的性质。的性质。(1)广度（容量）性质广度（容量）性质 与系统中物质的量成正比的物理量与系统中物质的量成正比的物理量(体积体积V、质、质量量m、热容、热容C、焓、焓H、熵、熵S等等)；具有加和性。；具有加和性。一、热力学基本概念一、热力学基本概念第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源(2)强度性质强度性质 数值上不随系统中物质总量的变化而变化的物理数值上不随系统中物质总量的变化而变化的物理量（温度量（温度T、密度、密度、比热容、比热容Cs、压力、压力 p 等）。等）。很明显，系统的某种广很明显，系统的某种广度性质除以物质的量或质量度性质除以物质的量或质量（或任何两个广度性质相除）（或任何两个广度性质相除）之后就成为强度性质。如之后就成为强度性质。如Vm、密度密度、摩尔分数等。摩尔分数等。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源3.状态和状态函数状态和状态函数 状态状态是系统内各种宏观性质的综合表现。是系统内各种宏观性质的综合表现。(1)(1)由压力、温度、体积和物质的量等物理量所由压力、温度、体积和物质的量等物理量所 确定下来的确定下来的系统存在的形式系统存在的形式称为系统的状态。称为系统的状态。(2)(2)确定系统状态的物理量称为状态函数。确定系统状态的物理量称为状态函数。(3)(3)状态函数的特点：状态函数的特点：状态一定，其值一定；状态一定，其值一定；殊殊途同归，值变相等；途同归，值变相等；周而复始，值变为零。周而复始，值变为零。状态发生变化，其值也发生变化。状态函数的变状态发生变化，其值也发生变化。状态函数的变化量只与系统的始态和终态有关，而与变化的途径无化量只与系统的始态和终态有关，而与变化的途径无关。关。数学上具有全微分的性质。数学上具有全微分的性质。一、热力学基本概念一、热力学基本概念第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源4.过程与途径过程与途径1)过程：过程：状态变化的状态变化的经过经过称为称为过程过程 (有恒温、恒压、有恒温、恒压、恒容、绝热过程、循环过程、可逆过程等）恒容、绝热过程、循环过程、可逆过程等）2)途径：途径：完成过程的完成过程的具体步骤具体步骤称为称为途径途径3)状态状态1 状态状态2：途径不同，途径不同，状态函数改变量相状态函数改变量相同；同；状态一定时，状态函数有一个相应的确定值。状态一定时，状态函数有一个相应的确定值。始终态一定时，状态函数的改变量就只有一个唯一始终态一定时，状态函数的改变量就只有一个唯一数值。数值。4)常见过程：常见过程：等压过程：等压过程：压力恒定不变压力恒定不变 p=0；等等容过程：容过程：V=0；等温过程：等温过程：T=0。一、热力学基本概念一、热力学基本概念第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源p3=303.9kPaT3=473KV3=0.845m3p1=101.3kPaT1=373KV1=2m3p1=202.6kPaT1=373KV1=1m3（I）等温加压）等温加压（II）加压、升温）加压、升温减压、降温减压、降温始始 态态终终 态态理想气体的变化过程和途径理想气体的变化过程和途径4.过程与途径过程与途径第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 系统经过某过程由状态系统经过某过程由状态 I 变到状态变到状态 II 后，当系统后，当系统沿该过程的逆过程回到原来状态时，若原来过程对环沿该过程的逆过程回到原来状态时，若原来过程对环境产生的一切影响同时被消除境产生的一切影响同时被消除(即环境也同时复原即环境也同时复原)，这种过程称为这种过程称为热力学可逆过程热力学可逆过程。例如，等温可逆、绝。例如，等温可逆、绝热可逆、可逆相变等。热可逆、可逆相变等。实际过程都是不可逆过程。可逆过程是理想的过实际过程都是不可逆过程。可逆过程是理想的过程，是科学的抽象。实际过程只能无限趋近于它。程，是科学的抽象。实际过程只能无限趋近于它。可逆过程最经济、效率最高。（系统做最大功，可逆过程最经济、效率最高。（系统做最大功，环境消耗最小功）环境消耗最小功）可逆过程是在系统接近平衡的状态下发生的无限可逆过程是在系统接近平衡的状态下发生的无限缓慢的过程，因此它和平衡态密切相关。缓慢的过程，因此它和平衡态密切相关。5.热力学可逆过程热力学可逆过程第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源6.相相 相：相：系统中具有相同的系统中具有相同的物理性质和化学性质物理性质和化学性质且与且与其他部分有明确界面分隔其他部分有明确界面分隔开来的任何开来的任何均匀部分。均匀部分。均匀是指其分散度达到均匀是指其分散度达到分子或离子水平的。分子或离子水平的。有有单相（均相）单相（均相）和和多相多相（复相）（复相）系统之分。系统之分。NaCl(aq)冰冰一、热力学基本概念一、热力学基本概念第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源相相NaCl水溶液为水溶液为液相液相三块冰为三块冰为固相固相水蒸气为水蒸气为气相气相 气相：气相：通常任何气体均能通常任何气体均能无限混合无限混合，所以系统内，所以系统内不论有多少种气体都只有一个气相不论有多少种气体都只有一个气相。液相：液相：按其按其互溶程度互溶程度可以是一相、两相、三相可以是一相、两相、三相。单相系统与多相系统单相系统与多相系统乙醇，水乙醇，水苯苯水水一相一相 两相两相 一相一相 三相三相固相：固相：不同种固体达到不同种固体达到分子或离子程度的均匀分子或离子程度的均匀混合混合就形成固溶体，为一个相；分散度达不到分子、离子就形成固溶体，为一个相；分散度达不到分子、离子级时，系统中含有多少种固体物质，就有多少个固相。级时，系统中含有多少种固体物质，就有多少个固相。如如CaCO3(s)CO2(g)CaO(s)有有？相相 第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源二、化学反应计量式和反应进度二、化学反应计量式和反应进度 ：物质B的化学计量数，反应物反应物取负值，产物取正值。取负值，产物取正值。BBB0ZYBAzybaBzybaZYBA1.化学反应计量式化学反应计量式2.化学计量数：化学计量数：化学式前的系数化学式前的系数 根据质量守恒定律，用规定的化学符号和化学式根据质量守恒定律，用规定的化学符号和化学式来表示化学反应的式子，或简称来表示化学反应的式子，或简称反应式反应式。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源BBBBB)0()(nnn3.反应进度反应进度的SI单位是molBBdnd)()0(0BBnnBBdnd 描述化学反应进行的程度，用描述化学反应进行的程度，用 /ksai/表示。在表示。在反应热的计算、化学平衡和反应速率的表示式中被普反应热的计算、化学平衡和反应速率的表示式中被普遍使用。反应进度遍使用。反应进度 的定义式为：的定义式为：引入反应进度的优点：引入反应进度的优点：无论选用哪种物质表示反应无论选用哪种物质表示反应进行的程度均是一样的。进行的程度均是一样的。第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 gNH2gH3gN322时时10ttmol/mol/BBnn 10 30 0 0 8 24 41 mol0.22mol)00.4(NHNHmol0.23mol)3024(HHmol0.21mol)108(NN331122112211nnn第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源注意：反应进度必须对应具体的反应方程式。注意：反应进度必须对应具体的反应方程式。gNHgH23gN21322mol0.42/1mol)108(22NN1n时1tt 8 24 4 (mol)10 30 0 (mol)0t第第 1 章章 热化学与能源热化学与能源 =1，表示，表示1mol N2与与3mol H2反应生成反应生成2mol NH3 gNH2gH3gN322 gNHgH23gN21322l对同一反应方程式，任一反应物