2009年博士物理化学（二）考试大纲
第一章热力学第一定律及其应用
1．1 热力学概论
1.2热力学第一定律
1.3准静态过程与可逆过程
1.4焓
1.5热容
1.6热力学第一定律对理想气体的应用
1.7 实际气体
1.8 热化学
1.9 赫斯定律
1.10 几种热效应
1.11反应热与温度的关系
1.12 绝热反应——非等温反应
1.13 热力学第一定律的微观说明
第二章热力学第二定律
2.1 自发变化的共同特征一不可逆性性
2.2 热力学第二定律
2.3 卡诺定律
2.4 熵的概念．
2.5 克劳修斯不等式与熵增加原理
2.6熵的计算
2.7热力学第二定律的本质和熵的统计意义
2.8亥姆霍兹自由能和古布斯自由能
2.9变化的方向和平衡条件
2.10ΔG的计算示例
2.11几个热力学函数间的关系
2.12单组分体系的两相平衡
2.13多组分体系中物质的偏摩尔量和化学势
2.14不可逆过程热力学简介
第三章统计热力学基础
3.1 概论
3.2玻尔兹曼统计
3.3玻色—爱因期坦统计和费米—狄拉克统计
3.4配分函数
3.5各配分函数的求法及其对热力学因数的贡献
3.6晶体的热容问题
3.7分子的全配分函数
第四章溶液——多组分体系热力学在溶液中的应用
4.1 引言
4.2 溶液组成的表示法
4.3 稀溶液的两个经验定律
4.4混合气体中各组分的化学势
4.5理想溶液的定义、通性及各组分的化学势4.6稀溶液中各组份的化学势
4.7理想溶液和稀溶液的微观说明
4.8稀溶液的依数性
4.9吉朽斯—杜亥姆公式和杜亥姆—马居耳公式4.10非理想溶液
4.11分配定律――溶质在两互不相溶液中的分配第五章相平衡
5.1引言
5.2多相体系的一般平衡条件
5.3相律
5.4单组份体系的相图
5.5二组份体系的相图及应用
5.6三组份体系的相图和应用
5.7二级相变
第六章化学平衡
6.1化学反应的平衡条件和化学反应的亲和势6.2化学反应的平衡常数和等温方程式
6.3平衡常数的表示式
6.4复相化学平衡
6.5平衡常数的测定和平衡转化率的计算
6.6标准生成自由能
6.7用配分函数计算自由能和平衡常数
6.8温度、压力和惰性气体对化学平衡的影响6.9同时平衡
6.10反应的耦合
6.11近似计算
6.12生物能力学简介
第八章电解质溶液
8.1法拉第定律
8.2离子的电迁移和迁移数
8.3电导
8.4电解质溶液理论
第九章可逆电池的电动势及其应用
9.1可逆和不可逆电池
9.2电动势的测定
9.3可逆电池电动势的符号及电池的写法
9.4可逆电池的热力学
9.5电动势产生机理
9.6电极电势和电池的电动势
9.7浓差电池和液体接界电势的计算
9.8电动势测定的应用
第十章电解与极化作用
10.1分解电压
10.2极化作用
10.3电解时电极上的反应
10.4金属的电化学腐蚀原理
10.5化学电源
第十一章化学动力学基础
11.1化学反应速度的表示方法
11.2化学反应速度方程式
11.3简单级数的反应
11.4几种典型的复杂反应
11.5温度对反应速度的影响
11.6活化能能反应速度的影响
11.7光化学反应
11.8激化化学反应
11.9在溶液中进行的反应
11.10流动体系反应动力学
第十二章吸附作用与多相催化
12.1吸附等温线
12.2吸附现象的本质
12.3化学吸附
12.4化学吸附与催化反应
12.5气固相催化反应动力学
12.6扩散的影响
12.7催化剂理论
第十三章表面现象
13.1表面自由能和表面张力
13.2弯曲表面下的附加压力和蒸气压13.3液体的铺展和湿润
13.4溶液界面吸附
13.5表面活性剂及其作用
第十四章胶体分散体系
14.1胶体和胶体的基本特性
14.2胶体的制备和净化
14.3溶胶的动力性质
14.4溶胶的光学性质
14.5溶胶电学性质
14.6溶胶的稳定性和聚沉作用
14.7乳状液
第一章热力学第一定律 思考题 1. 下列说法中哪些是不正确的？ （1）绝热封闭系统就是孤立系统； （2）不作功的封闭系统未必就是孤立系统； （3）作功又吸热的系统是封闭系统； （4）与环境有化学作用的系统是敞开系统。 【答】（1）不一定正确。绝热条件可以保证系统和环境之间没有热交换，封闭条件可以保证系统和环境之间没有物质交换。但是单单这两个条件不能保证系统和环境之间没有其他能量交换方式，如作功。当绝热封闭的系统在重力场中高度发生大幅度变化时，系统和地球间的作功不能忽略，系统的状态将发生变化。 （2）正确。 （3）不正确。系统和环境间发生物质交换时，可以作功又吸热，但显然不是封闭系统。为了防止混淆，一般在讨论功和热的时候，都指定为封闭系统，但这并不意味着发生物质交换时没有功和热的发生。但至少在这种情况下功和热的意义是含混的。 （4）正确。当发生化学作用（即系统和环境间物质交换）时，将同时有热和功发生，而且还有物质转移，因此是敞开系统。 2. 一隔板将一刚性容器分为左、右两室，左室气体的压力大于右室气体的压力。现将隔板抽去，左、右室气体的压力达到平衡。若以全部气体作为系统，则△U、Q、W为正？为负？或为零？ 【答】因为容器是刚性的，在不考虑存在其它功的情况下，系统对环境所作的功的W = 0 ；容器又是绝热的，系统和环境之间没有能量交换，因此Q = 0；根据热力学第一定律△U = Q ＋W，系统的热力学能（热力学能）变化△U = 0。 3. 若系统经下列变化过程，则Q、W、Q + W 和△U 各量是否完全确定？为什么？ （1）使封闭系统由某一始态经过不同途径变到某一终态； （2）若在绝热的条件下，使系统从某一始态变化到某一终态。 【答】（1）对一个物理化学过程的完整描述，包括过程的始态、终态和过程所经历的具体途径，因此仅仅给定过程的始、终态不能完整地说明该过程。 Q、W 都是途径依赖（path-dependent）量，其数值依赖于过程的始态、终态和具体途径，只要过程不完全确定，Q、W 的数值就可能不确定。因为Q + W =△U，只要过程始、终态确定，则△U 确定，因此Q + W 也确定。 （2）在已经给定始、终态的情况下，又限定过程为绝热过程，Q = 0，Q 确定；W =△U，W和△U 也确定。 4. 试根据可逆过程的特征指出下列过程哪些是可逆过程？ （1）在室温和大气压力（101.325 kPa）下，水蒸发为同温同压的水蒸气； （2）在373.15 K 和大气压力（101.325 kPa）下，蒸发为同温同压的水蒸气； （3）摩擦生热； （4）用干电池使灯泡发光； （5）水在冰点时凝结成同温同压的冰；
第一章 热力学第一定律 一、选择题 1．下述说法中，哪一种正确（ ） (A)热容C 不是状态函数； (B)热容C 与途径无关； (C)恒压热容C p 不是状态函数；(D)恒容热容C V 不是状态函数。 2．对于内能是体系状态的单值函数概念，错误理解是（ ） (A) 体系处于一定的状态，具有一定的内能； (B) 对应于某一状态，内能只能有一数值不能有两个以上的数值； (C) 状态发生变化，内能也一定跟着变化； (D) 对应于一个内能值，可以有多个状态。 3．某高压容器中盛有可能的气体是O 2 ,Ar, CO 2, NH 3中的一种，在298K 时由5dm3绝热可逆膨胀到6dm3，温度降低21K ，则容器中的气体（ ） (A) O 2 (B) Ar (C) CO 2 (D) NH 3 4．戊烷的标准摩尔燃烧焓为-3520kJ·mol -1，CO 2(g)和H 2O(l)标准摩尔生成焓分别为-395 kJ·mol -1和-286 kJ·mol -1，则戊烷的标准摩尔生成焓为（ ） (A) 2839 kJ·mol -1 (B) -2839 kJ·mol -1 (C) 171 kJ·mol -1 (D) -171 kJ·mol -1 5．已知反应)()(2 1)(222g O H g O g H =+的标准摩尔反应焓为)(T H m r θ ?，下列说法中不正确的是（ ）。 (A). )(T H m r θ?是H 2O(g)的标准摩尔生成焓 (B). )(T H m r θ ?是H 2O(g)的标准摩尔燃烧焓 (C). )(T H m r θ?是负值 (D). )(T H m r θ?与反应的θ m r U ?数值相等 6．在指定的条件下与物质数量无关的一组物理量是（ ） (A) T , P, n (B) U m , C p, C V (C) ΔH, ΔU, Δξ (D) V m , ΔH f,m (B), ΔH c,m (B) 7．实际气体的节流膨胀过程中，下列那一组的描述是正确的（ ） (A) Q=0 ΔH=0 ΔP< 0 ΔT≠0 (B) Q=0 ΔH<0 ΔP> 0 ΔT>0 (C) Q>0 ΔH=0 ΔP< 0 ΔT<0 (D) Q<0 ΔH=0 ΔP< 0 ΔT≠0 8．已知反应 H 2(g) + 1/2O 2(g) →H 2O(l)的热效应为ΔH ，下面说法中不正确的是（ ） (A) ΔH 是H 2O(l)的生成热 (B) ΔH 是H 2(g)的燃烧热 (C) ΔH 与反应 的ΔU 的数量不等 (D) ΔH 与ΔH θ数值相等 9．为判断某气体能否液化，需考察在该条件下的（ ） (A) μJ-T > 0 (B) μJ-T < 0 (C) μJ-T = 0 (D) 不必考虑μJ-T 的数值 10．某气体的状态方程为PV=RT+bP(b>0)，1mol 该气体经等温等压压缩后其内能变化为（ ）
热力学第一定律 热力学第一定律 热力学第一定律内容是：研究对象内能的改变量，等于外界对它传递的热量与外界对它所做的功之和。 注：热量的传导与做功均需要注意正负性。 热力学第一定律公式 热力学第一定律公式： △U=W+Q 其中，△U——内能的变化量，单位焦耳（J），如果为负数，则说明研究对象内能减小。 Q——研究对象吸收的热量，单位焦耳（J），如果为负数，则说明研究对象向外释放热量。 在自然态下，Q传导具有方向性，即只能从高温物体向低温物体传递热量。 W——外界对研究对象做的功，单位焦耳（J），如果为负数，则说明研究对象对外界做功。
热力学第一定律理解误区之吸热内能一定增加？ 老师：并非如此。如果对外做功，内能可能不变，甚至减小。 物体的内能是变大还是变小，取决于两个外在因素，其一是吸收（或放出）热量，另外一个是做功。 如果吸收了10J的热量，向外界做了20J的功，物体的内能不会增加，反而会减小（减小10J）。 热力学第一定律深入理解之温度与分子平均动能关系 老师：分子平均动能Ek与热力学温度T是正比例关系，即分子平均动能Ek越大，热力学温度T就越大。 分子平均动能Ek是微观表现方式，而热力学温度T是宏观表现方式。 热力学第一定律深入理解之做功与气体体积关系 老师：W与气体的体积相关，V减小，则是外界对气体做正功（压缩气体）。
反之，V增大，则是外界对气体做负功（气体膨胀向外界做功）。 热力学第一定律深入理解之能量守恒定律在热学的变形式 老师：从热力学第一定律公式来看： △U=W+Q 这与能量守恒定律是一致的。能量守恒定律的内容是：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体传递给另一个物体，而且能量的形式也可以互相转换。 在热学领域，物体内能改变同样遵守能量守恒定律。物体内能的增加，要么是伴随着外界做功，要么是由外界热量传导引起的。 在物体A内能增加的同时，物体B因为向A做功能量减小，或者物体C把自身内能以热量形式向物体A传导，自身能量减小。 如果以A+B+C总系统为研究对象，这个系统的总能量，依然是守恒的。 热力学第一定律深入理解之理想气体的内能 老师：如果研究对象是一定量的理想气体，就不用考虑分子势能。 那么这部分气体内能变化△U，就只与分子平均动能Ek相关，宏观表现就是只和温度T相关。热力学第一定律的发展与意义简介 热力学第一定律本质上与能量守恒定律是的等同的，是一个普适的定律，适用于宏观世界和微观世界的所有体系，适用于一切形式的能量。 自1850年起，科学界公认能量守恒定律是自然界普遍规律之一。
§2.2 热力学第一定律对理想气体的应用 2．2．1、等容过程 气体等容变化时，有=T P 恒量，而且外界对气体做功0=?-=V p W 。根据 热力学第一定律有△E=Q 。在等容过程中，气体吸收的热量全部用于增加内能，温度升高；反之，气体放出的热量是以减小内能为代价的，温度降低。 p V i T C n E Q V ???= ??=?=2 式中 R i T E v T Q C V ?=??=?=2)(。 2．2．1、等压过程 气体在等压过程中，有=T V 恒量，如容器中的活塞在大气环境中无摩擦地自 由移动。 根据热力学第一定律可知：气体等压膨胀时，从外界吸收的热量Q ，一部分用来增加内能，温度升高，另一部分用于对外作功；气体等压压缩时，外界对气体做的功和气体温度降低所减少的内能，都转化为向外放出的热量。且有 T nR V p W ?-=?-= T nC Q p ?= V p i T nC E v ??=?=?2 定压摩尔热容量p C 与定容摩尔热容量V C 的关系有R C C v p +=。该式表明：1mol 理想气体等压升高1K 比等容升高1k 要多吸热8.31J ，这是因为1mol 理想气体等压膨胀温度升高1K 时要对外做功8.31J 的缘故。 2．2．3、等温过程 气体在等温过程中，有pV =恒量。例如，气体在恒温装置内或者与大热源想
接触时所发生的变化。 理想气体的内能只与温度有关，所以理想气体在等温过程中内能不变，即△E =0，因此有Q=-W 。即气体作等温膨胀，压强减小，吸收的热量完全用来对外界做功；气体作等温压缩，压强增大，外界的对气体所做的功全部转化为对外放出的热量。 2．2．4、绝热过程 气体始终不与外界交换热量的过程称之为绝热过程，即Q=0。例如用隔热良好的材料把容器包起来，或者由于过程进行得很快来不及和外界发生热交换，这些都可视作绝热过程。 理想气体发生绝热变化时，p 、V 、T 三量会同时发生变化，仍遵循=T pV 恒 量。根据热力学第一定律，因Q=0，有 )(21122V p V p i T nC E W v -=?=?= 这表明气体被绝热压缩时，外界所作的功全部用来增加气体内能，体积变小、温度升高、压强增大；气体绝热膨胀时，气体对外做功是以减小内能为代价的，此时体积变大、温度降低、压强减小。气体绝热膨胀降温是液化气体获得低温的重要方法。 例：0.020kg 的氦气温度由17℃升高到27℃。若在升温过程中，①体积保持不变，②压强保持不变；③不与外界交换热量。试分别求出气体内能的增量，吸收的热量，外界对气体做的功。 气体的内能是个状态量，且仅是温度的函数。在上述三个过程中气体内能的增量是相同的且均为： J T nC E v 6231031.85.15=???=?=?
第3节热力学第一定律 目标导航 1?知道热力学第一定律的内容及其表达式 2?理解能量守恒定律的内容 3?了解第一类永动机不可能制成的原因 诱思导学 1.热力学第一定律 (1).一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。这个关系叫做热力学第一定律。 其数学表达式为：A U=W+Q (2).与热力学第一定律相匹配的符号法则 (3)热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移，同时 也进一步揭示了能量守恒定律。 (4)应用热力学第一定律解题的一般步骤： ①根据符号法则写出各已知量( W、Q、A U)的正、负； ②根据方程A U=W+Q求出未知量； ③再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。 2.能量守恒定律 ⑴自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。如机械运动对应机械能 ;分子热运动对应内 能；电磁运动对应电磁能。 ⑵.不同形式的能量之间可以相互转化。摩擦可以将机械能转化为内能；炽热电灯发光可以将电能转化为光能。 ⑶.能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。 (4).热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。 (5).能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。 (6).能量守恒定律的重要意义 第一，能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，学习这个定律，不能满足一般理解其内容，更 重要的是，从能量形式的多样化及其相互联系，互相转化的事实岀发去认识物质世界的多样性及其普遍联系，并切实树立能 量既不会凭空产生，也不会凭空消失的观点，作为以后学习和生产实践中处理一切实际问题的基本指导思想之一。第二，宣 告了第一类永动机的失败。 3.第一类永动机不可能制成 任何机器运动时只能将能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地创造能量，即第一类永动机是不可能 制造出来的。 典例探究 例1一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8X104尚功，气体的内能减少了1.2杓勺，则下列
对热力学第三定律的理解及应用 在学习了物理书中的“热学”篇后，对于书中提到的热力学四大定律很感兴趣。其中热力学第一定律与热力学第二定律在书中都有了较为详尽的介绍，并且我们也认真地做了相关的习题，可以说对于这两个定律较为熟悉，而对于热力学第零定律与第三定律却了解不多。因此，在课下，我查阅了相关资料。对于这两个定律有了一定了解。 热力学第零定律表述为：“如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。” 热力学第三定律表述为：“热力学系统的熵在温度趋近于绝对零度时趋于定值，特别地，对于完整晶体，这个定值为零。”可以用这一公式表达，0)(lim 0=?=s t 而另一种表述为：“不可能通过有限的步骤，将一个物体冷却到绝对温度的零度。” 对于第三定律中提到的，“不能通过有限步骤，达到绝对零度”我感到了困惑与好奇。 对于这一定律有这么一种解释：理论上，若粒子动能低到量子力学的最低点时，物质即达到绝对零度，不能再低。然而，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近。因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的，除非该空间自始即无任何能量热量。 另一种解释是：当原子达到绝对零度后，就会处于静止状态，而这违反了海森堡不确定原理指出的“不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量”。
尽管，绝对零度在实际生活中似乎无法达到，但科学家还是不遗余力的尝试着接近绝对零度。据报道，由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组在实验室内创造了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度纪录，而此前的纪录是比绝对零度高3纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。 而通过研究物体在接近绝对零度度过程中材料属性的变化，可以为工程应用提供材料，而在微观领域也可研究低温环境对于原子产生的影响，比如原子在接近绝对零度时是如何运动的，物体呈现一种什么样的状态，这对于原子物理的发展有巨大促进作用。 热力学第三定律在生活中也得到了应用。比如在研究过程中，发现了一些物体存在着超导现象，这一发现对于降低能耗，减少能源浪费都有着不可估量的意义。将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外磁场相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。在合适的空间配制下，可使洛沦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。即磁悬浮。对于磁悬浮技术的应用，主要是磁悬浮列车，其优点在于耗能不仅低于普通火车，更大大低于汽车和飞机。在驱动功率相同时，其耗能仅为汽车的1/3，飞机的1/4，而降低能耗是环境保护的最主要问题。 通过科学家对于绝度零度都不断的追求，我们可以看出科学永无止境，作为科学工作者要有一种锲而不舍的精神。
热力学第一定律主要公式 1.?U 与?H 的计算 对封闭系统的任何过程 ?U=Q+W 2111()H U p V pV ?=?-- (1) 简单状态变化过程 1) 理想气体 等温过程 0T U ?= 0T H ?= 任意变温过程 ,21()V m U nC T T ?=- ,21()p m H nC T T ?=- 等容变温过程 H U V p ?=?+? (V U Q ?=) 等压变温过程 p U Q p V ?=-? ()p H Q ?= 绝热过程 ,21()V m U W nC T T ?==- ,21()p m H nC T T ?=- 2)实际气体van derWaals 气体等温过程 2 1 211U n a V V ?? ? ??? ?=- 2 22111 211()H U pV n a p V pV V V ?? ? ??? ?=?+?=-+- (2) 相变过程 等温等压相变过程 p tra H Q ?= (p Q 为相变潜热) p tra tra U Q p V ?=-? (3)无其她功的化学变化过程
绝热等容反应 0r U ?= 绝热等压反应 0r H ?= 等温等压反应 r p H Q ?= r r U H p V ?=?-? 等温等压凝聚相反应 r r U H ?≈? 等温等压理想气体相反应 ()r r U H n RT ?=?-? 或 r r B B H U RT ν?=?-∑ 由生成焓计算反应热效应 f ()(,)r m m B B H T H T B θθν?=?∑ 由燃烧焓计算反应热效应 c ()(,)r m m B B H T H T B θν?=-?∑ 由键焓估算反应热效应 ,,()(,(i m i i m i i i H T n H T n H ?=??∑∑反应物）-生成物） 式中:i n 为i 种键的个数;n i 为i 种键的键焓。 不同温度下反应热效应计算 2 1 21()()d T r m r m r p T H T H T C T ?=?+?? 2、体积功W 的计算 任意变化过程 W= d e p V -∑ 任意可逆过程 2 1 W= d V V p V -? 自由膨胀与恒容过程 W=0 恒外压过程 21()e W p V V =-- 等温等压→l g 相变过程(设蒸气为理想气体) 1()g g g W p V V pV n RT =--≈-=- 等温等压化学变化 ()W p V n RT =-?=? (理想气体反应) 0W ≈ (凝聚相反应) 理想气体等温可逆过程
2.3热容 2.3.1热容 在以下三种情况下体系与环境之间能量可能以热的形式进行传递： 1.体系中物质的化学性质和聚集状态不变而温度变化的过程或称单纯物理 变温过程。 2.相变过程； 3.化学反应过程。 本节着重讨论第一类情况。 任何一个物体（或系统），升高单位温度所吸收的热量称为该物体的热容。它属于热响应函数，自然是状态函数。 加热可以使体系温度升高，所需热量与温升程度成正比： Q∝ ΔT 或(2-16) 故(2-17) 称为“平均热容”，相当于在一定温度范围内体系温度升高1o 所需热量的平均值。当所取物质数量为一摩尔，则称为“摩尔平均热容”： (2-18) 或(2-19) 热容随温度变化，只有当所取温度间隔ΔT愈小时，所求得的值才愈接近于指定温度下热容的数值。定义“真实热容” C为： (2-20)
而摩尔热容 (2-21) 或 (2-22) 物质的摩尔热容C m与比热C s ()之间有如下关系 (2-23) 式中M为物质的摩尔质量。 以下谈及“热容”如无特别指明,均系指“摩尔热容”而言，“摩尔”二字从略。 2.3.2 等容热容与等压热容 热与途径有关，故热容也与只有在完成过程的途径指定之后，它们才有确定的数值。在物理化学中最常用到的热容有两种形式：“等容热容”C v（或C v.m）和“等压热容”C p（或C p.m）。它们也都称为热响应函数。 对于无非膨胀功发生的封闭体系，第一定律可以表示为： dU =δQ -pdV (2-24) 或δQ =dU +pdV (2-25) 等容条件下，dV =0 δQ v =dU (2-26) 而 (2-27) 故等容热容 (2-28) 若定义一新热力学函数H，称为“焓” H≡U +pV (2-29) 由于U、p、V均为状态函数，而U和pV均具有能量的量纲，故H必然为一具有能量量纲的状态函数。定义H之后，可以看到很有意义的结果： ∵δQ =dU +pdV (2-25) 在等压条件下：
热力学第一定律--说 课稿--教案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
水，直至水沸腾。在这一过程中，铁块从周围水中吸收了热量使它温度升高，内能增加。这过程中水的一部分内能通过热量传递使铁块内能增加。铁块吸收多少热量，它内能就增加多少。公式Q=ΔE 表示吸收的热量与内能变化量的关系，也反映出铁块增加的内能数量与水转移给铁块的内能数量相等。 一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递过程，那么，外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q，等于物体内能的增加ΔE，即W+Q=ΔE 上式所表示的是功、热量和内能之间变化的定量关系，同时它也反映了一个物体的内能增加量等于物体的机械能减少量和另外物体内能减少量（内能转移量）之和。进而说明，内能和机械能转化过程中能量是守恒的。 2．其他形式的能也可以和内能相互转化 （1）介绍其他形式能：我们学习过机械运动有机械能，热运动有内能，实际上自然界存在着许多不同形式的运动，每种运动都有一种对应的能量，如电能、磁能、光能、化学能、原子能等。 （2）不仅机械能和内能可以相互转化，其他形式能也可以和内能相互转化，举例说明：（同时放映幻灯片） ①电炉取暖：电能→内能 ②煤燃烧：化学能→内能 ③炽热灯灯丝发光：内能→光能 （3）其他形式的能彼此之间都可以相互转化。画出图表让学生回答分析： 3．能量守恒定律 大量事实证明：各种形式的能都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转
化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变．这就是能量守恒定律。 在学习力学知识时，学习了机械能守恒定律。机械能守恒定律是有条件限制的定律，而且实际现象中是不可能实现的。而能量守恒定律是存在于普遍自然现象中的自然规律。这规律对物理学各个领域的研究，如力学、电学、热学、光学等都有指导意义。它也对化学、生物学等自然科学的研究都有指导作用。 4．永动机不可能制成 历史上不少人希望设计一种机器，这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。这种机器被称为永动机。虽然很多人，进行了很多尝试和各种努力，但无一例外地以失败告终。失败的原因是设计者完全违背了能的转化和守恒定律，任何机器运行时其能量只能从一种形式转化为另一种形式。如果它对外做功必然消耗能量，不消耗能量就无法对外做功，因而永动机是永远不可能制造成功的。 5．运用能的转化和守恒定律进行物理计算 例题：用铁锤打击铁钉，设打击时有80％的机械能转化为内能，内能的50％用来使铁钉的温度升高。问打击20次后，铁钉的温度升高多少摄氏度？已知铁锤的质量为1.2kg，铁锤打击铁钉时的速度是10m/s，铁钉质量是40g，铁的比热是5.0×102J/（kg·℃）。 首先让学生分析铁锤打击铁钉的过程中能量的转化。 归纳学生回答结果，指出铁锤打击铁钉时，铁锤的一部分动能转化为内能，而且内能中的一半被铁钉吸收，使它的温度升高。如果用ΔE表示铁钉的内能增加量，铁锤和铁钉的质量分别用M和m 表示，铁锤打击铁钉时的速度用v表示。依据能的转化和守恒定 律，有 铁钉的内能增加量不能直接计算铁钉的温度，我们把机械能转化为内能的数量等效为以热传递方式完成的，因此等效为计算打击过程中铁钉吸收多少热量，这热量就是铁钉的内能增加量。因此有 Q=cmΔt 上式中c为铁钉的比热，Δt表示铁钉的温度升高量。将上面两个
《热力学第一定律》 课题：热力学第一定律 科目：物理教学对象：高二选用教材：人教版选修3-3第十章第3节教师：师范班林琬晴 一、教学内容分析 本节内容选自人教版选修3-3第十章《热力学定律》的第3节《热力学第一定律能量守恒定律》。 从教材结构上来看，本章从研究绝热过程中功和内能关系开始，到讨论单纯的热传递过程中热与内能的关系，逐步剖析功、热量以及内能三者之间的关系，引出了热力学第一定律以及能量守恒定律的内容（能量守恒定律在人教版必修2第七章第10节已学习，因此并未在本课的设计范围内）。在学习了守恒律后，学生能够通过学习热力学第二定律来了解自然过程的不可逆性，认识自然界的一切自发过程都是朝着熵增大的方向进行的这一规律。 从课程标准来看热力学第一定律在高考中是I级要求，了解其内容及含义并且能进行简单运用即可。热力学第一定律为同学们建立了“做功与传热在改变系统内能方面是等价的”这一图像，是高中教学的重点但非难点。 从教材内容来看，教材的思路是从焦耳的实验出发得到“做功与传热在改变系统内能方面是等价的”的观念，从而总结出的规律，进而推广得到能量守恒定律，并介绍永动机的不可能性。而本节课的教学设计是在教材的基础上，用一个新颖的实验作为引入，承接原来学过的“单纯做功／热传递改变系统内能”引出“做功与传热在改变系统内能方面的等价性”，激发学生乐趣，有助学生理解物理图像。 从功能上讲，学习热力学第一定律完善了学生对于能量及其规律的知识体系，且让学生能更深一步了解热与内能，并且为下一节学习熵的原理打下基础。 二、教学目标 物理观念1.能够从能量转化的角度理解热力学第一定律的形式和内涵。 2.理解、掌握能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析物理现象， 明确其优越性。 3.了解第一类永动机不能制成的原因。 科学思维会用解决一些简单的问题。了解建立热力学第一定律的
第二章热力学第一定律及其应用 1. 如果一个体重为70kg的人能将40g巧克力的燃烧热(628 kJ) 完全转变为垂直位移所要作的功 ,那么这点热量可支持他爬多少高度? 2. 在291K和下,1 mol Zn(s)溶于足量稀盐酸中,置换出1 mol H2并放热152 kJ。若以Zn和盐酸为体系，求该反应所作的功及体系内能的变化。 3．理想气体等温可逆膨胀，体积从V1胀大到10V1，对外作了41.85 kJ的功，体系的起始压力为202.65 kPa。 (1)求V1。 (2)若气体的量为2 mol ,试求体系的温度。 4．在101.325 kPa及423K时，将1 mol NH3等温压缩到体积等于10 dm3, 求最少需作多少功？ （1）假定是理想气体。 （2）假定服从于范德华方程式。 已知范氏常数a=0.417 Pa·m6·mol-2, b=3.71× m3/mol. 5．已知在373K和101.325 kPa时，1 kg H2O（l）的体积为1.043 dm3,1 kg水气的体积为1677 dm3,水的 =40.63 kJ/mol 。当1 mol H2O(l),在373 K 和外压为时完全蒸发成水蒸气时，求 （1）蒸发过程中体系对环境所作的功。 （2）假定液态水的体积忽略而不计，试求蒸发过程中的功，并计算所得结果的百分误差。 （3）假定把蒸汽看作理想气体，且略去液态水的体积，求体系所作的功。（4）求（1）中变化的和。 （5）解释何故蒸发热大于体系所作的功？ 6．在273.16K 和101.325 kPa时,1 mol的冰熔化为水，计算过程中的功。
已知在该情况下冰和水的密度分别为917 kg·m-3和1000 kg·m-3。 7．10mol的气体（设为理想气体），压力为1013.25 kPa,温度为300 K，分别求出等温时下列过程的功： （1）在空气中（压力为101.325 kPa）体积胀大1 dm3。 （2）在空气中膨胀到气体压力也是101.325 kPa。 （3）等温可逆膨胀至气体的压力为101.325 kPa。 8．273.2K，压力为5×101.325 kPa的N2气2 dm3,在外压为101.325 kPa下等温膨胀，直到N2气的压力也等于101.325 kPa为止。 求过程中的W,ΔU ，ΔH 和Q。假定气体是理想气体。 9．0.02kg乙醇在其沸点时蒸发为气体。已知蒸发热为858kJ/kg.蒸汽的比容为0.607 m3/kg。 试求过程的ΔU ，ΔH，Q，W（计算时略去液体的体积）。 10. 1× kg水在373K，101.325 kPa压力时，经下列不同的过程变为373 K， 压力的汽，请分别求出各个过程的W，ΔU ，ΔH 和Q 值。 （1）在373K，101.325 kPa压力下变成同温，同压的汽。 （2）先在373K，外压为0.5×101.325 kPa下变为汽，然后加压成373K，101.325 kPa压力的汽。 （3）把这个水突然放进恒温373K的真空箱中，控制容积使终态为101.325 kPa 压力的汽。 已知水的汽化热为2259 kJ/kg。 11. 一摩尔单原子理想气体，始态为2×101.325 kPa,11.2 dm3,经pT=常数的可逆过程压缩到终态为4×101.325 kPa，已知C(V,m)=3/2 R。求： （1）终态的体积和温度。 （2）ΔU 和ΔH 。 （3）所作的功。
热力学第一定律能量守恒定律 一、教材分析 前面学习的焦耳实验结果表明，在系统状态发生改变时，只要初末状态确定了，做功的数量或者热传递的数量就是确定的。而且，热功当量的测量结果表明，做功和热传递在改变内能上是等价的。从而得出热力学第一定律的数学表达式。又通过实例对表达式中物理量取值的正负意义进行了讨论。接着，讲述了能量守恒定律的确立。它具有重大的理论意义和实践意义。它对于制造永动机的不可能实现，给予了科学上的最后判决。 二、三维目标 知识与技能： 1、理解热力学第一定律。 2、能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题。 3、理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律。 4、通过能量守恒定律的学习，认识自然规律的多样性和统一性。 5、知道第一类永动机是不能实现的。 过程与方法： 能够得出热力学第一定律，并会应用。 情感态度与价值观： 通过学习能量守恒定律的得出过程，学习科学家的探索精神 二、教学重点难点 重点：热力学第一定律 难点：能量守恒定律 四、学情分析 由于热力学第一定律是教学的重点及难点，因此应利用教学的相当多的时间进行热力学第一定律的教学，具体说△U=W+Q中各物理量的意义及正负号的确定对学生讲是很困难的，以通俗易懂的语言阐述；对于能量守恒定律的教学，调动学生相互讨论自然界中的各种能量间的转化，分析得出能量守恒定律。 五、教学方法 自主阅读与思考、精讲精练 六、课前准备 七、课时安排1课时 八、教学过程
（一）预习检查、总结疑惑 （二）情景引入、展示目标 焦耳的实验表明：只要系统初末状态是确定的，所需做功数量就是确定的。 另一方面，热功当量实验表明做功和热传递是等价的 （三）合作探究、精讲点播 1.热力学第一定律 （1）.一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。这个关系叫做热力学第一定律。 其数学表达式为：ΔU=W+Q （2）.与热力学第一定律相匹配的符号法则 ⑶.能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。 (4).热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。 (5). 能量守恒定律的重要意义 第一，能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，学习这个定律，不能满足一般理解其内容，更重要的是，从能量形式的多样化及其相互联系，互相转化的事实出发去认识物质世界的多样性及其普遍联系，并切实树立能量既不会凭空产生，也不会凭空消失的观点，作为以后学习和生产实践中处理一切实际问题的基本指导思想之一。第二，宣告了第一类永动机的失败。 3.第一类永动机不可能制成
《热力学第一定律能量守恒定律》 一、说教材 本节内容是在前面学习分子动理论及物体内能的知识的基础上，及对物体内能的改变的进一步量化研究而进行编写的，得出了热力学第一定律，并归纳得出了能量守恒定律。 热力学第一定律是热学中的一个重要定律，而能量守恒定律是整个物理学的一个重要定律。因此本节课的教学重点是：1. 热力学第一定律的教学；2.能量守恒定律的教学。教学难点是： 1. 热力学第一定律的应用；2是能量守恒定律的应用。 二、教学目标的确定 根据以上分析可知，通过本节课的教学，应使学生理解热力学第一定律，掌握定律中各物理量正负号的确定，会运用热力学第一定律解决一些实际问题，理解并会运用能量守恒定律分析解决一些实际问题。 三、说学情 我校生源教差，学生基础普遍不好，对抽象事物的理解能力极弱，多数学生存在厌学情绪。 四、说教法 鉴于我班学生的实际情况，又由于热力学第一定律是教学的重点及难点，因此我将利用教学的相当多的时间来进行热力学第一定律的教学，具体来说△U=W+Q中各物理量的意义及正负号的确定对学生来讲是很困难的，在教学中我计划用收入、支出
和结存的观点去分析，以通俗易懂的语言来阐述；对于能量守恒定律的教学，我计划调动学生相互讨论自然界中的各种能量间的转化，分析得出能量守恒定律。 五、教学流程设计 1. 引入新课 我们在前面学习了改变内能的两种方法：做功和热传递，即通过对物体做功或者经过热传递的过程都能改变物体内能，即由做功和热传递均能改变物体的内能入手，提出“它们间有何数量关系”的设问来引入热力学第一定律。再以“以前学习过的电能、化学能等各种形式的能，它们在转化过程中遵守什么样的规律”来引入能量守恒定律。 2. 新课教学 （1）热力学第一定律 通过投影给出一些简单的问题： 1. 一个物体，如果它跟外界不发生热交换，那么外界对它做功与物体对外界做功，会引起物体内能怎样的变化 2. 一个物体，如果它跟外界之间没有做功，那么物体吸热与放热会引起物体内能怎样的变化 3. 如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，△U、W、Q的正负号如何确
华中科技大学博士研究生入学考试《物理化学（二）》考试大纲 第一章热力学第一定律及其应用 1．1 热力学概论 1.2 热力学第一定律 1.3准静态过程与可逆过程 1.4 焓 1.5 热容 1.6 热力学第一定律对理想气体的应用 1.7 实际气体 1.8 热化学 1.9 赫斯定律 1.10 几种热效应 1.11 反应热与温度的关系 1.12 绝热反应——非等温反应 1.13 热力学第一定律的微观说明 第二章热力学第二定律 2.1 自发变化的共同特征一不可逆性性 2.2 热力学第二定律 2.3 卡诺定律 2.4 熵的概念．
2.5 克劳修斯不等式与熵增加原理 2.6熵的计算 2.7热力学第二定律的本质和熵的统计意义 2.8亥姆霍兹自由能和古布斯自由能 2.9变化的方向和平衡条件 2.10ΔG的计算示例 2.11几个热力学函数间的关系 2.12单组分体系的两相平衡 2.13多组分体系中物质的偏摩尔量和化学势 2.14不可逆过程热力学简介 第三章统计热力学基础 3.1 概论 3.2玻尔兹曼统计 3.3玻色—爱因期坦统计和费米—狄拉克统计 3.4配分函数 3.5各配分函数的求法及其对热力学因数的贡献3.6晶体的热容问题 3.7分子的全配分函数 第四章溶液——多组分体系热力学在溶液中的应用4.1 引言 4.2 溶液组成的表示法 4.3 稀溶液的两个经验定律
4.4混合气体中各组分的化学势 4.5理想溶液的定义、通性及各组分的化学势4.6稀溶液中各组份的化学势 4.7理想溶液和稀溶液的微观说明 4.8稀溶液的依数性 4.9吉朽斯—杜亥姆公式和杜亥姆—马居耳公式4.10非理想溶液 4.11分配定律――溶质在两互不相溶液中的分配第五章相平衡 5.1引言 5.2多相体系的一般平衡条件 5.3相律 5.4单组份体系的相图 5.5二组份体系的相图及应用 5.6三组份体系的相图和应用 5.7二级相变 第六章化学平衡 6.1化学反应的平衡条件和化学反应的亲和势6.2化学反应的平衡常数和等温方程式 6.3平衡常数的表示式 6.4复相化学平衡 6.5平衡常数的测定和平衡转化率的计算
热力学第一定律主要公式 1．?U 和?H 的计算 对封闭系统的任何过程 ?U=Q+W 2111()H U p V pV ?=?-- (1) 简单状态变化过程 1) 理想气体 等温过程 0T U ?= 0T H ?= 任意变温过程 ,21()V m U nC T T ?=- ,21()p m H nC T T ?=- 等容变温过程 H U V p ?=?+? (V U Q ?=) 等压变温过程 p U Q p V ?=-? ()p H Q ?= 绝热过程 ,21()V m U W nC T T ?==- ,21()p m H nC T T ?=- 2)实际气体van derWaals 气体等温过程 2 1 211U n a V V ?? ? ??? ?=- 2 22111 211()H U pV n a p V pV V V ?? ? ??? ?=?+?=-+- (2) 相变过程 等温等压相变过程 p tra H Q ?= (p Q 为相变潜热) p tra tra U Q p V ?=-? （3）无其他功的化学变化过程
绝热等容反应 0r U ?= 绝热等压反应 0r H ?= 等温等压反应 r p H Q ?= r r U H p V ?=?-? 等温等压凝聚相反应 r r U H ?≈? 等温等压理想气体相反应 ()r r U H n RT ?=?-? 或 r r B B H U RT ν?=?-∑ 由生成焓计算反应热效应 f ()(,)r m m B B H T H T B θθν?=?∑ 由燃烧焓计算反应热效应 c ()(,)r m m B B H T H T B θν?=-?∑ 由键焓估算反应热效应 ,,()(,(i m i i m i i i H T n H T n H ?=??∑∑反应物）-生成物） 式中：i n 为i 种键的个数；n i 为i 种键的键焓。 不同温度下反应热效应计算 2 1 21()()d T r m r m r p T H T H T C T ?=?+?? 2.体积功W 的计算 任意变化过程 W= d e p V -∑ 任意可逆过程 2 1 W= d V V p V -? 自由膨胀和恒容过程 W=0 恒外压过程 21()e W p V V =-- 等温等压→l g 相变过程（设蒸气为理想气体） 1()g g g W p V V pV n RT =--≈-=- 等温等压化学变化 ()W p V n RT =-?=? (理想气体反应) 0W ≈ （凝聚相反应） 理想气体等温可逆过程
目录 摘要 (1) 关键字 (1) Abstract: ...................................................................................... 错误！未定义书签。Key words .................................................................................... 错误！未定义书签。引言 (1) 1．热力学第一定律的产生 (1) 1.1历史渊源与科学背景 (1) 1.2热力学第一定律的建立过程 (2) 2.热力学第一定律的表述 (3) 2.1热力学第一定律的文字表述 (3) 2.2数学表达式 (3) 3.热力学第一定律的应用 (4) 3.1焦耳实验 (4) 3.2热机及其效率 (5) 总结 (7) 参考文献 (7)
热力学第一定律的内容及应用 摘要：热力学第一定律亦即能量转换与守恒定律，广泛地应用于各个学科领域。本文回顾了其建立的背景及经过，它的准确的文字表述和数学表达式，及它在理想气体、热机的应用。 关键字：热力学第一定律；内能定理；焦耳定律；热机；热机效率 引言 在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造，因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。在热力学第一定律提出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。直至热力学第一定律发现后，第一类永动机的神话才不攻自破。本文就这一伟大的应用于生产生活多方面的定律的建立过程、具体表述、及生活中的应用——热机，进行简单展开。 1．热力学第一定律的产生 1.1历史渊源与科学背景 人类使用热能为自己服务有着悠久的历史,火的发明和利用是人类支配自然力的伟大开端,是人类文明进步的里程碑。中国古代就对火热的本性进行了探讨,殷商时期形成的“五行说”——金、木、水、火、土,就把火热看成是构成宇宙万物的五种元素之一。 北宋时刘昼更明确指出“金性苞水,木性藏火,故炼金则水出,钻木而生火。”古希腊米利都学派的那拉克西曼德（Anaximander,约公元前611—547) 把火看成是与土、水、气并列的一种原素,它们都是由某种原始物质形成的世界四大主要元素。恩培多克勒（Empedocles,约公元前500—430）更明确提出四元素学说,认为万物都是水、火、土、气四元素在不同数量上不同比例的配合,与我国的五行说十分相似。但是人类对热的本质的认识却是很晚的事情。18世纪中期,苏格兰科学家布莱克等人提出了热质说。这种理论认为,热是由一种特殊的没有重量的流体物质,即热质（热素）所组成,并用以较圆满地解释了诸如由热传导从而导致热平衡、相变潜热和量热学等热现象,因而这种学说为当时一些著名科学家所接受,成为十八世纪热力学占统治地位的
第二章 热力学第一定律课堂练习 一、判断下列说法正误 1、当系统的状态一定时，所有的状态函数都有确定的数值。当系统的状态发生变化时，所有的状态函数的数值也都随之发生变化。（ x ） 2、体积是广度性质的状态函数，在有过剩NaCl(s)存在的饱和水溶液中，当温度一定时，系统体积与系统中的水和NaCl 的总量成正比。（ x ） 3、一定量的理想气体当热力学能与温度确定后，则所有的状态函数也完全确定。（ x ） 4、系统的温度升高则一定从环境吸热，系统的温度不变则一定不与环境换热。（x ） 5、因Qp=△H ，Qv=△U ，所以Qp 、Qv 都是状态函数。（ x ） 6、对一定量的理想气体，当温度一定时，U 与H 的值一定，其差值也一定。（ y ） 7、在101.325 KPa 下，1mol 100℃的水恒温蒸发为100℃的水蒸汽，若水蒸气可视为理想气体，那么由于过程等温，所以该过程△U ＝0。（ y ） 8、1mol 水在101.325 KPa 下由25℃升至120℃，则该过程的△H ＝dT l O H C m p )(215.39315.298.，?。（ y ） 9、若一个过程的每一步都无限接近平衡态，则此过程一定是可逆过程。（ y ） 10、1mol 理想气体经绝热不可逆过程由P 1、V 1 变到P 2、V 2，则系统所做的功为：1V P W 1122－－＝ γV P ，γ为热容比，即m v m p C ..C ＝γ。（ y ） 11、理想气体经绝热自由膨胀后温度不变。（y ） 12、因理想气体的热力学能与体积、压力无关，所以① (P U ??)V = 0、 ② (V U ??)P = 0。（ y ） 13、当系统向环境传热时，系统的热力学能一定减少。（ x ） 14、等压下，机械搅拌绝热容器中的液体使其温度上升，则Qp=△H=0。（ y ） 15、隔离系统的热力学能是守恒的。（ y ） 16、卡诺循环是可逆循环，当系统经历一卡诺循环后，不仅系统复原了，而且环境也复原。（x ） 17、25℃时H 2(g)的标准摩尔燃烧焓等于25℃时H 2O(g)的标准摩尔生成焓。（ x ） 18、临界温度是实际气体能够被液化的最高温度。（ y ） 19、在临界点，饱和气体和饱和液体具有相同的T 、P ，所以它们具有相同的Vm 。（ x ） 20、dU=nCv.mdT 这个公式对一定量的理想气体的任何PVT 过程均适用。（ x ） 二、选择题 1、某系统经历一不可逆循环后，下列关系式中不能成立的是： d A 、Q ＝0 B 、△Cp ＝0 C 、△U ＝0 D 、△T ＝0 2、焓是系统的状态函数，定义为H ＝U ＋PV 。若系统发生状态变化时，则焓的变化为： △H=△U ＋△(PV)。式中△(PV)的含义是： c A 、△(PV)=△P △V B 、△(PV)= P 2V 2－P 1V 1 C 、△(PV)=P △V ＋V △P D 、△(PV) = P 2(V 2－V 1) 3、一定量的理想气体从P 1、V 1、T 1 分别经(1)绝热可逆膨胀到P 2、V 2、T 2；(2)绝热恒外压膨胀到P ′2、V ′2、T ′2。若P 2＝P ′2，则：