物理化学绪论.ppt

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1、Contents绪绪 论论1 1有关数学知识的复习有关数学知识的复习2 2有关气体知识的复习有关气体知识的复习3 3一、绪一、绪 论论v1. 什么是物理化学什么是物理化学 物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手，来探求化学变化及相关的物理变化基本规律的一门科学 傅献彩 以物理的原理和实验技术为基础，研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体系的特殊规律的学科。唐有祺v2. 物理化学的研究内容物理化学的研究内容一、绪一、绪 论论化学反应的方向、限度和能量效应化学反应的方向、限度和能量效应 化学体系的平衡性质化学体系的平衡性质化学反应的速率和化学反应的速率和 反应机理反应机理 化学体系的动

2、态性质化学体系的动态性质化学体系的微观结构和性质化学体系的微观结构和性质 一、绪一、绪 论论化学热力学化学热力学化学动力学与分子反应动态学化学动力学与分子反应动态学结构化学与分子谱学结构化学与分子谱学理论化学（化学统计力学、分子工程学、非线性物理理论化学（化学统计力学、分子工程学、非线性物理化学）化学）其他分支学科还包括：其他分支学科还包括：电化学、表面及胶体化学、光化学等电化学、表面及胶体化学、光化学等将物理化学原理应用于不同的体系，则产生了物理有将物理化学原理应用于不同的体系，则产生了物理有机化学、生物物理化学、冶金物理化学等等。机化学、生物物理化学、冶金物理化学等等。v3. 物理化学的建

3、立与发展物理化学的建立与发展 第一阶段：第一阶段：18871920：化学平衡和化学反应速率的：化学平衡和化学反应速率的唯象规律的建立唯象规律的建立19世纪中叶：热力学第一定律和热力学第二定律的提出世纪中叶：热力学第一定律和热力学第二定律的提出1850： Wilhelmy 第一次定量测定反应速率第一次定量测定反应速率1879： 质量作用定律建立质量作用定律建立1889：德文：德文“物理化学物理化学”杂志创刊杂志创刊19061912：Nernst热定律和热力学第三定律的建立热定律和热力学第三定律的建立一、绪一、绪 论论第二阶段：第二阶段：1920s1960s：结构化学和量子化学的：结构化学和量子化

4、学的蓬勃发展和化学变化规律的微观探索蓬勃发展和化学变化规律的微观探索1926：量子力学建立：量子力学建立1927： 求解氢分子的薛定谔方程求解氢分子的薛定谔方程1931： 分子轨道理论建立分子轨道理论建立1935：共振理论建立：共振理论建立1918：提出双分子反应的碰撞理论：提出双分子反应的碰撞理论1935：建立过渡态理论：建立过渡态理论1930：提出链反应的动力学理论：提出链反应的动力学理论一、绪一、绪 论论第三阶段：第三阶段：1960s：由于激光技术和计算机技术：由于激光技术和计算机技术的发展，物理化学各领域向更深度和广度发展的发展，物理化学各领域向更深度和广度发展宏观宏观 微观微观静态静

5、态 动态动态体相体相 表相表相 平衡态平衡态 非平衡态非平衡态一、绪一、绪 论论分子动态学、表面与界面物理化学、非平衡非线性化学、分子动态学、表面与界面物理化学、非平衡非线性化学、分子设计与分子工程学分子设计与分子工程学v4. 物理化学学科的战略地位物理化学学科的战略地位(1) 物理化学是化学学科的理论基础及重要组成学物理化学是化学学科的理论基础及重要组成学科科(2) 物理化学极大的扩充了化学研究的领域物理化学极大的扩充了化学研究的领域(3) 物理化学促进相关学科的发展物理化学促进相关学科的发展(4) 物理化学与国际民生密切相关物理化学与国际民生密切相关(5) 物理化学式培养化学人才的必需物理

6、化学式培养化学人才的必需一、绪一、绪 论论v5. 物理化学的研究方法物理化学的研究方法物理化学式化学学科中的一个重要分支，是化学科学物理化学式化学学科中的一个重要分支，是化学科学的理论基础的理论基础 一、绪一、绪 论论压力压力p体积体积V 变化变化温度温度T化学反应化学反应 伴随着伴随着总结规律总结规律物物理理化化学学能量转化能量转化研究方法：研究方法：以物理学的基本原理和实验手段为基础，借助数学方法来以物理学的基本原理和实验手段为基础，借助数学方法来研究化学反应的规律研究化学反应的规律逻辑推理法。逻辑推理法。 如：热力学方法如：热力学方法( (宏观宏观) )化学热力学；化学热力学； 统计力学

7、方法统计力学方法化学统计热力学；化学统计热力学； 量子力学量子力学( (微观微观) )量子化学；量子化学； 光学光学光化学；光化学； 电学电学电化学。电化学。一、绪一、绪 论论化学动力学化学动力学化学反应的化学反应的速率和机理速率和机理化学热力学化学热力学化学变化的化学变化的方向和限度，以方向和限度，以及伴随发生的能及伴随发生的能量转换关系；量转换关系；结构化学结构化学物质的性质与物质的性质与其微观结构的其微观结构的关系关系一、绪一、绪 论论123v6. 物理化学所担负的主要任务：物理化学所担负的主要任务：v7. 学习物理化学的目的和意义学习物理化学的目的和意义v8. 如何学好物理化学如何学好

8、物理化学 (1) 预习预习 (2) 认真听课：基本概念、公式推导和公式的认真听课：基本概念、公式推导和公式的 限制条件限制条件 (3) 做好笔记：课后复合和做习题做好笔记：课后复合和做习题一、绪一、绪 论论如何学习物理化学如何学习物理化学多做题目多做题目物理化学物理化学善于分类总善于分类总结结第一章 热力学第一定律 热力学热力学反应过程宏观 统计力学统计力学量子力学量子力学微观运算薛定谔方程薛定谔方程Ervin Schrdinger 动力学动力学 热力学热力学(thermodynamics)起源于起源于1824年年Carnot（卡诺）对热机效率的研究；（卡诺）对热机效率的研究；19世纪末，世纪

9、末，热力学发展成研究热与其它形式能量相互转化热力学发展成研究热与其它形式能量相互转化所遵循规律的一门学科所遵循规律的一门学科。1.1 热力学概论热力学概论 （3）利用热力学基本原理研究）利用热力学基本原理研究热力学平衡系统热力学平衡系统的热力的热力学性质以及各种性质间相互关系的一般规律。学性质以及各种性质间相互关系的一般规律。化学热力学 热力学的基本原理在化学现象以及和化学现象有关的热力学的基本原理在化学现象以及和化学现象有关的物理现象中的应用称为物理现象中的应用称为化学热力学化学热力学：（1）利用热力学第一定律解决热力学系统变化过程中）利用热力学第一定律解决热力学系统变化过程中的的能量计算能

10、量计算问题。重点解决化学反应热效应的计算问问题。重点解决化学反应热效应的计算问题。题。（2）利用热力学第二定律解决系统变化过程的可能性）利用热力学第二定律解决系统变化过程的可能性问题，即过程的性质问题。重点解决化学反应变化问题，即过程的性质问题。重点解决化学反应变化自自发方向和限度的问题发方向和限度的问题。热力学看问题的角度 热力学采用宏观的研究方法：依据系统热力学采用宏观的研究方法：依据系统的的初始、终了状态初始、终了状态及过程进行的及过程进行的外部条件外部条件（均是（均是可以测量的宏观物理量可以测量的宏观物理量）对系统的变）对系统的变化规律进行研究。不涉及物质的微观结构和化规律进行研究。不

11、涉及物质的微观结构和过程进行的机理。过程进行的机理。一一 系统与系统的性质系统与系统的性质三三 状态函数状态函数四四 过程与途径过程与途径二二 系统的系统的状状态态五五 热力学平衡热力学平衡热力学基本概念热力学基本概念 系统与环境系统与环境系统（系统（System） 在科学研究时必须先确定研在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其余究对象，把一部分物质与其余分开，这种分离可以是实际的分开，这种分离可以是实际的，也可以是想象的。这种，也可以是想象的。这种被划被划定的研究对象称为系统定的研究对象称为系统，亦称，亦称为为物系或体系物系或体系。环境（环境（surroundings） 与系统密切

12、相关、有相互与系统密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为作用或影响所能及的部分称为环境。环境。系统系统环境环境系统分类 根据系统与环境根据系统与环境 之间的关系，把之间的关系，把 系统分为三类：系统分为三类：（1 1）敞开系）敞开系统统（open system） 系统与环境之间系统与环境之间 既有物质交换既有物质交换， 又有能量交换又有能量交换。（2）封闭系统）封闭系统（closed system）系统与环境之间系统与环境之间无物质交换无物质交换，但是有能量交换但是有能量交换。（3）隔离系统）隔离系统 isolatedsystem系统与环境之间系统与环境之间既无物质交换既无物质交换，又无能

13、量交换又无能量交换，又称为又称为孤立系统孤立系统。有。有时把封闭系统和系统时把封闭系统和系统影响所及的环境一起影响所及的环境一起作为孤立系统来考虑作为孤立系统来考虑。系统的性质(macroscopic properties) 强度性质(intensive properties) 它的数值取决于系统自身的特点，与系统的数量无关，不具有加和性，如温度、压力等。指定了物质的量的容量性质即成为强度性质，如摩尔热容。 广度性质广度性质(extensive properties) 又称为又称为容量性质容量性质，它的数值与系统的物质的量，它的数值与系统的物质的量成正比，如体积、质量、熵等。这种性质有加成正比

14、，如体积、质量、熵等。这种性质有加和性。和性。 描述系统状态的宏观性质描述系统状态的宏观性质 (如体积、压力、如体积、压力、温度、粘度、表面张力等温度、粘度、表面张力等)可分为两类：可分为两类：状态函数 (state function) 系统性质又叫状态参量。同时，对确定状态的系统，其宏观性质由状态所确定，是状态的单值函数，这些由系统状态所确定的宏观性质也被叫做状态函数，例如系统的体积V、压力p及温度T 等都是状态函数。状态函数的数学描述 对于没有化学反应的单相纯物质封闭系统，要规定其状态需三个独立性质(二个强度性质、一个容量性质)，这时系统的任一状态函数(Z )可表示为这三个变量的函数，即，

15、 Z = f (T，p，n)。 对于封闭系统，在状态变化时由于物质的量保持不变，函数可以简化成 Z = f (T，p )状态方程状态方程 系统状态函数之间的系统状态函数之间的定量关系式定量关系式称为状态方称为状态方程（程（state equation ）。）。 对于对于一定量的单组分均匀系统一定量的单组分均匀系统，状态函数，状态函数T,p,V T,p,V 之间有一定量的联系。经验证明，只有之间有一定量的联系。经验证明，只有两个是独立的，它们的函数关系可表示为：两个是独立的，它们的函数关系可表示为：T= f（p,V） ， p= f（T,V） ， V= f（p,T） 例如，理想气体的状态方程可表示

16、为：例如，理想气体的状态方程可表示为： pV = nRT 状态函数Z具有全微分的性质：当系统状态发生微小变化时: dZ= dT + dp 及 = 0 状态1 (Z1，T1，p1) -状态2 (Z2，T2，p2) ： Z =Z2 - Z1= 。 状态函数的改变值只取决于系统的初、终态而与变化所经历的细节无关。 21dZpTf Tpf Zd过程过程(proces)与途径与途径(path)v 循环过程(cyclic process)初态与终态是同一状态的过程v 等温过程(isothermal process)初、终态温度相同且等于环境温度的过程v 绝热过程(adiabatic process):系统与环境间不存在热量传递的过程v 等压过程(isobaric process):初态压力、终态压力与环境压力都相同的过程v 等容过程(isochoric process):系统体积不变的过程各种过程各种过程绝热过程绝热过程绝热等压绝热等压等温过程等温过程等温等压等温等压等压过程等压过程恒外压过程恒外压过程等容过程等容过程绝热等容绝热等容相与聚集态系统中物理性质和化学性质完全均匀（指在系统中物理性质和