物理化学 第三章化学反应热力学

第三章 化学反应热力学总结本章主要是运用热力学的基本概念、原理和方法研究化学反应的能量变化，引入反应焓与温度的关系式——Kirchhoff 公式，建立热力学第三定律以求算化学反应的熵变，引入化学热力学重要关系式——Gibbs-Helmholtz 方程。

一、 基本概念1、化学反应进度 ()/B B d dn ξξν= B B n /∆ξ=∆ν 或 B B n /ξ=∆ν2、盖斯定律3、标准生成热4、标准燃烧热5、热力学第三定律6、规定熵与标准熵 二、化学反应焓变的计算公式1、恒压反应焓与恒容反应焓的关系 p,m V,m BBQ Q (g)RT =+ν∑或 p ,m V ,mB BH U(g )RT ∆=∆+ν∑ 简写为： m m B BH U (g)RT ∆=∆+ν∑ 2、用f B H ∆$计算r m H ∆$： r m H ∆$(298K)=Bf B BH (298K)ν∆∑$3、由标准燃烧焓c m H ∆!的数据计算任一化学反应的标准反应焓r m H ∆!()r m H 298K ∆=$()B C m,B BH 298K -ν∆∑$4、计算任意温度下的r m H ∆!——基尔霍夫公式（1）微分式 r m B p,m p,m Bp H (T)C (B)C T ⎡⎤∂∆=ν=∆⎢⎥∂⎣⎦∑$（2）已知()r m H 298K ∆$求任意温度下的r m H ∆!当(),p m C B 表示式为形式： ()2,p m C B a bT cT =++ 时()()T2r mr m298K HTK H 298K (a bT cT )dT ∆=∆+∆+∆+∆⎰$$，积分得：()()()()2233r m r m b c H TK H 298K a T 298T 298(T 298)23∆∆∆=∆+∆-+-+-$$若令：230r m b c H H (298k)a 29829829823∆∆∆=∆-∆⨯-⨯-⨯$则： 23r m 0b C H (TK)H aT T T 23∆∆∆=∆+∆++$三、化学反应熵变的计算1、知道某一物质B 在298K 时的标准熵值，求该物质在任一温度时的标准熵值的公式()()(),,,298298TKm Bm Bp m K dT STK S K C B T=+⎰$$ 2、已知(),298m B S K $计算标准反应熵变r m S ∆$(298K)r m B m,B S (298k)S (298K)∆=ν∑$$3、任意温度 TK 时的标准反应熵变值r m S ∆$（TK ）的计算r m S ∆$（TK ）=r mS ∆$ (298K)+TKp,m 298KC dT T∆⎰式中,p m C ∆ 为产物与反应物的热容差， ,p m C ∆＝(),Bp m BC B ν∑四、任意温度下化学反应吉布斯自由能的计算1、微分式 m m 2PG ()H T T T ⎡⎤∆∂⎢⎥∆=-⎢⎥∂⎢⎥⎢⎥⎣⎦$$2、不定积分式 'mm 2G H dT I T T∆∆=-+⎰$$ （'I 为积分常数） （1）、m H ∆$为常数时m mG H I T T∆∆=+$$或 m G ∆$=m H ∆$ +IT （2）、m H ∆$表示为温度的函数，且符合Kirchhoff 定律的形式：23m 0b c H (TK)H aT T T 23∆∆∆=∆+∆++$ 式中0H ∆为积分常数 20mH G 11a ln T bT cT I T T 26∆∆=-∆-∆-∆+$ 即 23m 011G (TK)H aT ln T bT cT IT 26∆=∆-∆-∆-∆+$。

物理化学化学反应热力学在我们探索物质世界的奇妙旅程中，物理化学中的化学反应热力学就像是一把神奇的钥匙，帮助我们打开理解和预测化学反应的大门。

它不仅仅是一堆复杂的公式和概念，更是与我们日常生活、工业生产以及科学研究息息相关的重要知识领域。

首先，让我们来搞清楚什么是化学反应热力学。

简单来说，它研究的是在化学反应过程中能量的转化和传递规律。

这包括了反应能否自发进行、能进行到什么程度以及伴随反应发生的能量变化等问题。

比如说，我们生活中常见的铁生锈现象。

铁暴露在空气中，逐渐生锈变成氧化铁。

从化学反应热力学的角度来看，这个反应在一定条件下是自发进行的。

为什么呢？这是因为在这个过程中，体系的自由能降低了，使得反应能够自动发生。

那化学反应热力学中的一些重要概念又是什么呢？首先是热力学第一定律，它告诉我们能量是守恒的，在化学反应中，能量不会凭空产生或消失，只是从一种形式转化为另一种形式。

比如说，燃烧煤炭产生热能，这个热能就是煤炭中储存的化学能转化而来的。

接着是热力学第二定律，这一定律指出在任何自发的过程中，总的熵总是增加的。

熵是一个用来描述系统混乱程度的概念。

还是以铁生锈为例，铁从有序的金属状态变成了无序的氧化铁，整个系统的熵增加了。

然后是热力学第三定律，它规定了在绝对零度时，纯物质完美晶体的熵为零。

虽然在实际情况中很难达到绝对零度，但这个定律为我们研究物质的热力学性质提供了一个重要的基准。

了解了这些基本概念，我们再来看看化学反应热力学在实际中的应用。

在工业生产中，比如化工产业，通过对反应热力学的研究，可以优化反应条件，提高反应的产率，降低生产成本。

例如，在合成氨的工业生产中，需要控制温度、压力等条件，使得反应朝着生成氨的方向进行，同时提高氨的产量。

在能源领域，化学反应热力学也起着至关重要的作用。

比如燃料电池的研究和开发，就需要深入理解其中的化学反应热力学过程，以提高能源转化效率。

在环境保护方面，化学反应热力学可以帮助我们理解污染物的转化和降解过程。

物理化学答案第三章热⼒学第⼆定律第三章热⼒学第⼆定律3.1 卡诺热机在的⾼温热源和的低温热源间⼯作。

求（1）热机效率；（2）当向环境作功时，系统从⾼温热源吸收的热及向低温热源放出的热。

解：卡诺热机的效率为根据定义3.5 ⾼温热源温度，低温热源。

今有120 kJ的热直接从⾼温热源传给低温热源，龟此过程的。

解：将热源看作⽆限⼤，因此，传热过程对热源来说是可逆过程3.6 不同的热机中作于的⾼温热源及的低温热源之间。

求下列三种情况下，当热机从⾼温热源吸热时，两热源的总熵变。

（1）可逆热机效率。

（2）不可逆热机效率。

（3）不可逆热机效率。

解：设热机向低温热源放热，根据热机效率的定义因此，上⾯三种过程的总熵变分别为。

3.7 已知⽔的⽐定压热容。

今有1 kg，10 °C的⽔经下列三种不同过程加热成100 °C的⽔，求过程的。

（1）系统与100 °C的热源接触。

（2）系统先与55 °C的热源接触⾄热平衡，再与100 °C的热源接触。

（3）系统先与40 °C，70 °C的热源接触⾄热平衡，再与100 °C的热源接触。

解：熵为状态函数，在三种情况下系统的熵变相同在过程中系统所得到的热为热源所放出的热，因此3.8 已知氮（N2, g）的摩尔定压热容与温度的函数关系为将始态为300 K，100 kPa下1 mol的N2(g)置于1000 K的热源中，求下列过程（1）经恒压过程；（2）经恒容过程达到平衡态时的。

解：在恒压的情况下在恒容情况下，将氮（N2, g）看作理想⽓体将代替上⾯各式中的，即可求得所需各量3.9 始态为，的某双原⼦理想⽓体1 mol，经下列不同途径变化到，的末态。

求各步骤及途径的。

（1）恒温可逆膨胀；（2）先恒容冷却⾄使压⼒降⾄100 kPa，再恒压加热⾄；（3）先绝热可逆膨胀到使压⼒降⾄100 kPa，再恒压加热⾄。

解：（1）对理想⽓体恒温可逆膨胀，D U = 0，因此（2）先计算恒容冷却⾄使压⼒降⾄100 kPa，系统的温度T:（3）同理，先绝热可逆膨胀到使压⼒降⾄100 kPa时系统的温度T:根据理想⽓体绝热过程状态⽅程，各热⼒学量计算如下2.12 2 mol双原⼦理想⽓体从始态300 K，50 dm3，先恒容加热⾄400 K，再恒压加热⾄体积增⼤到100 dm3，求整个过程的。

第三章化学热力学基础——反应方向与反应限度3.1 什么是化学热力学Fe 2O 3(s) + 3 CO(g) →2 Fe(l) + 3 CO 2(g)为什么不能用同样的方法进行高炉炼铝？NO ，CONO 和CO 是汽车尾气中的有毒成分，它们能否相互反应生成无毒的N 2和CO 2？2NO (g) + 2CO(g) →N 2(g) + 2CO 2 (g)石墨金刚石C (石墨) →C (金刚石)库里南1号？化学热力学的作用：●体系(System)●环境(Surrounding)(一)The system is the sample or reaction mixture in which we are interested. Outside the system are the surroundings. The system plus its surroundings is sometimes called the universe.体系环境能量敞开体系封闭体系孤立体系●封闭体系(closed system)：●敞开体系(open system)：●孤立体系(isolated system)：(二)●热(heat, Q)：Q的符号——体系吸热取正值，放热取负值。

●功(work, W)：Work = (Force) ×(Distance)体积膨胀功W的符号——环境对体系做功取正值，体系对环境做功取负值。

●体积膨胀功：The gas does work as it expands isothermally, but heat flows in torestore the energy lost as work.The gas does no work as it expands isothermally into a vacuum.W = －F ⋅d =－(P ⋅A ) ⋅h = －P ⋅ΔV W =－P ext ⋅ΔV(三)——恒压反应热(Q p)和恒容反应热(Q v)铝热剂(thermite)可引发强烈的放热反应(Al + Fe2O3)，其可熔化所产生的金属铁，并产生“铁花”。

第03章化学反应系统热力学习题及答案物理化学-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN第三章 化学反应系统热力学习题及答案§3.1 标准热化学数据（P126）1. 所有单质的 Om f G ∆ (T )皆为零为什么试举例说明答：所有处于标准态的稳定单质的O m f G ∆ (T ) 皆为零，因为由稳定单质生成稳定单质的状态未发生改变。

如：单质碳有石墨和金刚石两种，O m f G ∆ (298.15K,石墨)=0，而O m f G ∆(298.15K,金刚石)=2.9 kJ·mol -1 (课本522页)，从石墨到金刚石状态要发生改变，即要发生相变，所以O m f G ∆ (298.15K,金刚石)不等于零。

2. 化合物的标准生成热(焓)定义成：“由稳定单质在298.15K 和100KPa 下反应生成1mol 化合物的反应热”是否准确为什么答：标准生成热(焓)的定义应为：单独处于各自标准态下，温度为T 的稳定单质生成单独处于标准态下、温度为T 的1mol 化合物B 过程的焓变。

此定义中（1）强调压力为一个标准大气压，而不强调温度；（2）变化前后都单独处于标准态。

3. 一定温度、压力下，发生单位化学反应过程中系统与环境交换的热Q p 与化学反应摩尔焓变r m H ∆是否相同为什么答： 等压不作其他功时（W’=0），数值上Q p =n r H ∆。

但Q p 是过程量，与具体的过程有关；而r m H ∆是状态函数，与过程无关，对一定的化学反应有固定的数值。

如将一个化学反应至于一个绝热系统中，Q p 为零，但r m H ∆有确定的数值。

§3.2 化学反应热力学函数改变值的计算（P131）1. O m r G ∆(T )、m r G ∆(T )、O m f G ∆(B,相态,T )各自的含义是什么答：O m r G ∆(T )： 温度为T ，压力为P θ，发生单位反应的ΔG ；m r G ∆(T )：温度为T ，压力为P ，发生单位反应的ΔG ；Omf G ∆(B,相态,T )：温度为T ，压力为P θ，由各自处于标准状态下的稳定单质，生成处于标准态1mol 化合物反应的ΔG 。

化学反应的能量变化与热力学化学反应是物质之间发生变化的过程，其中能量变化是一个重要的方面。

热力学研究了能量在化学反应中的转变以及相关的热力学参数。

本文将探讨化学反应的能量变化以及热力学的基本概念与原理。

一、能量变化化学反应中，能量的变化可以通过焓变（ΔH）来描述。

焓变是指反应前后系统所吸收或释放的热量。

当焓变为正值时，表示反应吸热；当焓变为负值时，表示反应放热。

能量变化与化学反应的方向密切相关。

根据热力学第一定律，能量是守恒的，即在一个封闭系统中，能量不能被创建或销毁，只能从一种形式转化为另一种形式。

因此，在一个化学反应中，反应物的能量转化为产物的能量，而总能量保持不变。

二、热力学概念1. 熵（S）熵是一个描述系统无序程度的物理量，它是热力学中的基本概念之一。

根据热力学第二定律，一个孤立系统的总熵必然增加。

化学反应的方向性与熵的变化密切相关。

2. 反应平衡与自由能（G）反应平衡是指反应物与产物的浓度达到恒定状态，反应速率相等。

自由能是描述一个系统的可用能量，用G表示。

根据热力学第二定律，一个孤立系统在达到平衡状态时，其自由能趋于最小值，即ΔG=0。

三、热力学定律1. 热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒定律，它指出能量在物理和化学过程中可以相互转化，但总能量守恒不变。

化学反应中的焓变可以看作是化学反应中能量转化的体现。

2. 热力学第二定律热力学第二定律是关于熵变的定律。

根据热力学第二定律，一个孤立系统的总熵不断增加。

化学反应的方向性正是由熵变的正负决定的，即ΔS>0时，反应趋向于增加系统的无序程度。

3. 热力学第三定律热力学第三定律是关于绝对零度的定律。

热力学第三定律指出，在绝对零度（0K）下，任何系统的熵为0。

虽然实际上不可能达到绝对零度，但热力学第三定律为我们提供了一个基准点，用于测量物质的熵。

四、热力学计算热力学的参数可以通过实验测量或计算得到。

常见的热力学计算方法包括热化学方程式、热力学循环和热力学数据表。