2.1.1 化学热力学基本概念在线视频

同学你好

今天这一小节我们要讲化学热力学基本概念

在化学热力学的研究过程当中

我们经常会遇到系统与环境这样两个概念

什么是系统与环境

非常简单

系统指的就是我们所确定的研究对象

环境指的就是与系统相关的

我们都把它叫做环境

按照系统与环境之间的关系

我们可以把系统分为三种

第一种我们把它叫做敞开系统

我们看一个例子

现在就有一个烧杯

我们在烧杯里面加了一些热水

那么加完热水以后

我把烧杯和这个水看作是我的研究对象

也就是我们说的系统

那么由于热水和环境它之间有温差

所以这个烧杯和环境之间要传递能量

同时由于水的不断蒸发

那么水分子会不断的从烧杯里面

跑到外界的环境当中

那么这样一个系统

它和环境之间既有物质交换

又有能量交换

这样的系统我们把它叫做敞开系统

同样也是这样一个烧杯

现在在这个烧杯上面我们加了一个盖子

加了盖子以后

那么烧杯里面这些热水就跑不出去了

如果我还是以烧杯和热水作为我的研究对象

它和环境之间就只有能量交换

那么这种情况下我们把它叫做封闭系统

第三种情况 我在整个烧杯外面加一个保温瓶

就类似于我们这个暖壶这种情况

那么这时候这个烧杯和环境之间

就既没有物质交换 也没有能量交换

那么这种情况下我们把它叫做孤立系统

我们在研究系统的时候

经常要用到一些描述系统的状态的物理量

比如说对于气体

对于气体来说

我们经常需要指明

它的温度压强体积和物质的量

那么这些用来描述系统状态的这些物质量

我们把它叫做系统的性质

系统的性质

按照它的特性来分

可以分为两种

一种叫做广度性质

也叫做容量性质

另外一种叫做强度性质

这两种性质有什么区别

对于广度性质来说具有加和性

对于强度性质来说不具有加和性

那么对于气体的这四个物理量

我们可以判断一下

我们可以判断一下

哪些属于广度性质

哪些属于强度性质

那么很显然温度T它不具有加和性

那么它就是强度性质

那么它就是强度性质

像压强P体积V和物质的量n

它们都具有加和性

它们就属于广度性质

对于一个系统来说

当它的所有性质都确定的时候

那么这个系统就处于一定的状态

所以系统的性质

和系统的状态之间是一一对应的

和系统的状态之间是一一对应的

那么我们在描述系统状态的时候

用到的这些性质

我们给它起个名字叫做系统的状态函数

状态函数具有自己的特征

这个特征在我们热力学的研究当中经常要用到

我们来看一下A是单值性

我们来看一下A是单值性

也就是说一个状态对应的是一套状态函数

二状态函数的改变量只与始态和终态有关

而与具体变化途径是没有关系的

这一点也非常重要

我们经常要用到这个性质

C状态函数的复合函数也一定是个状态函数

下面我们再来看两个热力学概念叫做热和功

在热力学上对于热是怎么定义的

它指的是系统和环境之间

因为温差而传递的能量

我们叫做热

热我们用大写的符号Q来表示

功它的定义是什么

我们看一下除了热以外

系统和环境之间各种形式被传递的能量

我们都把它叫做功

所以系统和环境之间能量传递的方式只有两种

一种是热 一种是功

那么对于功来说

我们又划分了一下

如果是由于体积变化而引起的做功

我们把它叫做体积功

那么体积功和外压和它的体积变化有关系

那么体积功等于什么 等于-P乘△V

那么为什么加负号和热和功的符号

不一定有关系

除了体积功以外

其他各种形式的功都叫做非体积功

我们看看热和功的符号规定

在我们这本书当中

我们规定系统由环境吸热Q为正

我们规定系统由环境吸热Q为正

系统下环境放热Q为负

环境对系统做功W为正

系统对环境做功W为负

所以这块我们可以稍微详细说一下

我们刚才说了

这个W等于负的P外乘以△V

那么假如说我现在是一个气体的这个体系

它要在恒定外加上发生膨胀

膨胀过程当中气体会对环境做功

那么按照这个符号规定的话

这个功值系统对环境做功W是为负值

那我们都知道气体膨胀过程

这个△V是正值

P外也是一个正值

所以为了保持它的符号规定

我们这块加了一个负号

下面我们再来看看热力学能内能的概念

在化学热力学上

它定义体系内一切能量的总和

叫做热力学能或者说叫做内能

叫做热力学能或者说叫做内能

所以内能所包含的内容是非常多的

它包含了体系内

在分子和原子层次上的各种能量的一个总和

那么内能它是体系的状态函数

也就是说内能的改变量

只与始态和终态有关

那么内能具有加和性

很显然内能的绝对值我们是无法测定的

但是可以测定是它的变化值

下面我们看看热力学第一定律

热力学第一定律又叫做能量转化和守恒定律

热力学第一定律又叫做能量转化和守恒定律

在任何的变化过程当中

能量它是不会自生自灭的

它只能从一种形式转化为另一种形式

而在转化的过程当中

能量的总值是不变的

所以这是我们非常熟悉的这个守恒定律

它的数学表达式就是△U=Q+W

下面我们再来看一下化学反应计量式的概念

这是一个我们非常熟悉的化学方程式

aA+dD=eE+fF

在化学计算的过程当中

我们为了表示

某一个物质的物质的量的变化关系

某一个物质的物质的量的变化关系

我们还把它表示成这种数学表达式

就是0=eE=fF-aA-dD

或者表示成这种形式

0=∑BμBB也就是说它用每一个物质

0=∑BμBB也就是说它用每一个物质

包括反应物和生成物

包括反应物和生成物

乘以它的计量系数求和的形式来表示出来

乘以它的计量系数求和的形式来表示出来

那么这里面这个μB我们把它叫做化学计量数

那么这个化学计量数

它就是和它在化学反应方程式的系数有关系

它可以是整数也可以是分数

但是μB和它在反应方程式当中的系数

还是有差别的

还是有差别的

因为什么

因为μB是有正负之分的

对于反应物来说μB是个负值

对于产物来说μB是个正值

那么比如说上面这个反应

我们可以知道

在这个化学计量式的表示当中

其中A的计量数就是负的因为是反应物

D也是负的E就是正的F就是正的

下面我们再介绍一个概念叫做反应进度

为了表示一个化学反应进行的程度

我们提出了一个概念叫做反应进度

我们用这个符号ζ来表示

比如说对于一个化学反应

任意的aA+dD=eE+fF

任意的aA+dD=eE+fF

那么它的反应进度ζ等于什么呢

等于任意一个物质

它在T时刻 也就是在进行到ζ这个时刻的时候

它的物质的量

减去它起始T等于0时刻的时候

减去它起始T等于0时刻的时候

它的物质的量

然后除以它的化学计量数μB

所以这个ζ的单位就是mol

关于反映进度ζ这个单位

我给大家说明几点

我给大家说明几点

第一点

这个ζ等于1mol的时候

那么这个1mol不是指某一个物质是1mol

它是指的这个反应

按照这个化学反应计量式

进行了1.0mol的反应

我举个例子比如说我们最熟悉的合成氨的反应

氮和氢反应生成氨分子

那么现在如果说这个反应的ζ是1mol

它代表什么概念是1mol的氮和3mol的氢反应

生成2mol的氨这是这个概念

第二点那么我们在计算ζ的时候

因为在计算过程当中

我们除以了化学计量数

我们除以了化学计量数

所以我们在计算的时候

对于同一个反应方程式

我们用哪一个物质来计算ζ都是一个固定的值

第三点那么反应进度ζ

它与化学反应计量式它是一一对应的

下面我们再来看看热化学方程式

这里面我给出了三个热化学方程式

它给的反应都是氢气和氧气反应生成水的反应

那么后面给出的是他们的反应的热效应

这里面我请同学观察一下

为什么同样的这三个反应

为什么同样的这三个反应

但是他们的热效应是不同的

那么通过仔细观察

我们可以看到一和二

它的区别在于什么

在于每一个物质前面的系数是差别的

那么二和三的差别是产物的状态是不一样的

那么这样的一个方程式我们叫做热化学方程式

所以总结一下我们在书写热化学方程式的时候

要注意的问题

第一个我们要标明物质的聚集状态

因为状态不同的时候

反应的热效应是要发生改变的

我们一般用g代表气态

小l代表液态小s代表固态

另外一个要注明温度和压强

如果没有注明的话

那么默认值就是T是298.15K

P等于1个大气压就是100kPa

那么这里面在化学反应

热化学反应方程式里面

这个计量系数代表了各个物质的反应的量

对一个热化学方程式来说

正逆反应它焓变的绝对值相等符号是相反的

以上就是这一小节的内容