1化学热力学初步 PPT课件

总结词
详细描述
05
CHAPTER
和实际生产数据，对化学反应过程进行优化与设计。
要点一
要点二
详细描述
在化学工业中，通过对热力学数据的分析，可以指导反应过程的优化与设计。例如，通过分析反应速率常数、活化能等数据，可以优化反应条件，如温度、压力、浓度等，以达到理想的反应效果。同时，热力学数据也是新型反应过程和工艺开发的重要依据。
02
01
04
03
随着科技的不断发展和人类对能源、环境等问题的关注度不断提高，化学热力学将面临更多的挑战和机遇。
未来化学热力学的研究将更加注重绿色环保和可持续发展，为解决能源危机和环境问题提供更多可行的方案和技术支持。
随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，化学热力学将更加注重计算机模拟和实验验证的结合，以更加精准地预测和优化化学反应和相变化过程。
未来化学热力学的研究将更加注重跨学科的交叉融合，如与物理学、生物学、环境科学等领域的结合，以解决更加复杂的问题。
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目的
定义
化工生产
化学热力学理论在化工生产过程中用于优化反应条件，提高产率和降低能耗。
新能源开发
通过化学热力学原理研究新能源转化和储存技术，如燃料电池、太阳能电池等。
环境科学
化学热力学在环境科学领域用于研究污染物治理和资源回收等问题。
03
02
01
从19世纪中叶开始，科学家们开始研究化学反应中的能量转化问题，奠定了化学热力学的基础。
总结词
自由能变化是化学反应过程中体系自由能的变化，用于衡量反应过程中的能量和熵的综合效应。
详细描述
自由能变化是焓变和熵变的综合结果，其变化值可以用于判断反应是否自发进行。在等温、等压条件下，自发反应总是向着自由能减少的方向进行。自由能变化的大小和方向对化学反应的方向和平衡状态具有决定性影响。

系统吸热 Q 状态Ⅰ，U1
系统对外作功 W
状态Ⅱ，U2
数学表达式：U2 = U1+QW
△U=U2-U1=Q-W
即 △U=Q-W
（注意Q、W符号的规定）
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例题1：某过程中系统从环境吸热100J，
对环境做体积功20J。求过程中系统热力 学能的改变量和环境热力学能的改变量。 解：△U系 =Q-W
△fHθm(H2O，l）=-285.83kJ·mol-1
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化学热力学中的标准状态：
是指在温度T和标准压力Pθ=100kPa下的该 物质的状态，简称标准态。
若计量方程写成： 1/2N2+3/2H2→NH3，则一单元反应是 指消耗了1/2molN2和3/2molH2 ,生成了 1molNH3 。
所以，在谈到反应进度时，必须指明相 应的计量方程式。
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（2）QV与QP的关系
反应物 T P1 V1 （始态）
等压
（1）
生成物 T P1 V2
若1mol C6H6(l)参加反应，QV=－ 3.268×103kJ; 1mol O2参加反应，QV=－3.268×103/7.5kJ。 为了对参与反应的各物质从数量上统一表达化学 反应进行的程度，引进反应进度ξ。
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（1）反应进度ξ（extent of reaction) 设有反应： νAA + νBB →νGG +νHH
= H2-H1
(enthalpy)
QP=△H（焓变）
[条件①等压过程②变化过程中系统只作体积功]
意义：等压反应过程中，系统吸收的热量
全部用于改变体系的焓。

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2. 局限性：
不知道反应的机理、速率和物质的微观性质，只
讲可能性，不讲现实性。
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3.2 热力学基本概念
一、体系和环境
体系：被研究的直接对象 环境: 体系外与其密切相关的部分
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体系类型：根据体系与环境的关系
敞开体系：与环境有物质交换也有能量交换 封闭体系：与环境有能量交换无物质交换
转动能，平动能，电子动能及核能，电子与电子间的势
能，电子与核间的势能等。
特点：“热力学内能”是状态函数。

现还无法求出体系热力学内能的绝对值；但能测定到
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2. 热力学第一定律内容
一个封闭体系,处于一种特定的内能状态U1。若这 个体系吸收一定的热量Q, 同时环境对体系做功W, 这 个体系则达到一个新的内能状态U2
量传递的方向，是由体系的观点 体
Q﹤
系
出发的；
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w﹥
w﹤
功 18
3.3 热力学第一定律及反应热
一、研究基础
1. 热功当量 即： 1 cal = 4.1840 J
为能量守恒原理提供了科学的实验证明。
2. 能量守恒定律
1850年，科学界公认能量守恒定律是自然界的普遍规 律之一。能量守恒与转化定律可表述为：
375 K，506.5 kPa
终态
实际过程与完成过程的不同途径
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五、热和功： 体系状态变化过程中的能量表现形式
热：体系与环境之间因温度不同而交换或传递的能量 称为热（Q)。
Q>0, 体系吸收热量 ， Q<0, 体系释放热量 功： 除热之外，体系与环境之间以其它形式交换或传递 的能量称为功（W）。

§2.1 热力学第一定律
第2章 化学热力学基础
(Thermochemistry)
§2.1 热力学第一定律
§2.2 热化学
§2.3 化学反应的方向
1
第2章 化学热力学基础
§2.1 热力学第一定律
研究化学反应必须研究的四个问题:
1. 化学反应中能量是如何转化的?
（第3章）
2. 该反应能否自发进行?
（第3章）
（3）孤立系统（Isolated System） 系统和环境之间即无能量交换又无物质交换的 系统。
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第2章 化学热力学基础
如：
§2.1 热力学第一定律
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
系统
绝热
HCl
HCl
HCl
Zn
Zn
Zn
敞开系统
封闭系统
孤立系统
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第2章 化学热力学基础
§2.1 热力学第一定律
1mol反应
表示消耗 0.5mol N2，1.5mol H2，生成 1mol NH3。
离开化学方程式谈反应进度是毫无意义的
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第2章 化学热力学基础
νB
有一反应
N2(g) + 3H2(g)→ 2NH3(g)
t=0： n1(B)/mol 3.0 10.0
0.0
t=t´：n2(B)/mol 2.0 7.0
2.0
Δn(B)/mol -1.0 -3.0
2.0
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第2章 化学热力学基础
§2.2 热化学
即消耗了 1.0 mol N2，3.0 mol H2，生成了 2.0 mol NH3，那么反应进度变化等于
定 压 过 程

反应自发性的判断
1 2
自发反应的定义
自发反应是指不需要外界作用就能自动进行的反 应。
自发性的判断依据
根据热力学第二定律，自发反应总是向着能量降 低、熵增加的方向进行。
3
自发性与焓变和熵变的关系
自发反应总是向着ΔH - TΔS < 0的方向进行，其 中ΔH为焓变，ΔS为熵变，T为绝对温度。
反应热的计算
表述
$Delta U = Q + W$，其中$Delta U$表示系统内能的变化，$Q$表示系统吸 收或放出的热量，$W$表示外界对系统做的功。
热和功的转化
热转化为功
当系统体积膨胀对外做功时，吸收的 热量会部分转化为对外做功。
功转化为热
当外界对系统做功使得系统体积压缩 时，外界所做的功会全部转化为系统 内的热量。
表述
熵增加原理指出，在封闭系统中，总熵（即系统熵与环境熵 的和）总是增加的。
卡诺循环与熵的概念
卡诺循环
卡诺循环是理想化的热机工作过程， 由四个可逆过程组成（等温吸热、等 温放热、绝热膨胀、绝热压缩）。
熵的概念
熵是描述系统混乱度或无序度的物理 量，其值越大，系统的无序度越高。
熵增加原理
表述
解释
应用
04 热力学第三定律
定义与表述
热力学第三定律通常表述为
在绝对零度时，任何完美晶体的熵值为零。
另一种表述为
不可能通过有限步骤将绝对温度降到绝对零度。
绝对熵的求算
根据热力学第三定律，绝对熵可以通 过计算完美晶体在绝对零度时的熵值 来获得。
在计算过程中，需要考虑晶体的原子 排列、分子振动等因素对熵值的影响。
热力学的主要概念
状态函数

相平衡条件
在三组分系统中，除了温度、压 力恒定外，还需要满足各相中三 组分的摩尔分数相等。
三组分系统
含有三个组分的系统。
相图复杂性
由于三组分系统的自由度增加， 相图的复杂性也显著增加，需要 借助计算机模拟等手段进行分析 。
应用领域
三组分系统相图在石油化工、冶 金、陶瓷等领域有广泛应用，用 于指导多组分体系的分离、提纯 和合成等过程。
热力学第一定律
能量守恒定律
能量不能凭空产生或消失，只能从一种形式转化为另一种 形式。
热力学第一定律的表述
热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能 或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保 持不变。
热力学第一定律的数学表达式
ΔU = Q + W，其中ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统 与外界交换的热量，W表示外界对系统所做的功。
工业生产应用
氯碱工业、电解冶炼、有机电化学合成、电化学分析等。
06
界面现象与胶体性质探讨
表面张力和表面能概念引入和计算方法
表面张力定义
作用于液体表面，使液体表面积 缩小的力。
表面能定义
恒温恒压下，增加单位表面积时， 体系自由能的增加值。
计算方法
通过测量液体表面张力或表面能相 关的物理量，如接触角、表面张力 系数等，利用相关公式进行计算。
01
胶体性质
丁达尔效应、电泳现象、布朗运 动等。
02
03
稳定性影响因素
分析方法
电解质种类和浓度、pH值、温 度等。
通过实验研究不同因素对胶体稳 定性的影响，利用相关理论进行 解释和预测。
界面现象在日常生活和工业生产中应用举例
日常生活应用

G(T) = H298 – TS298
H 和 S 随温度改变很 小，可用298K下数据来计 算任意温度下G(T) 。
G(T)
200 H = +178 (kJ / mol)
100
0
0 473 873 1273 T 第3(0K页 )
五、G-H方程利用
G= H-T S 正向反应自发
H S 低温
高温 性
–+ –
第五章 化学热力学初步
5.1 热力学第一定律 5.2 热化学 5.3 化学反应方向
第1页
5.1 热力学第一定律
体系与环境 环 体系 境
敞开体系 封闭体系 孤立体系
能量互换 物质互换
有
有
有
无
无
无
第2页
一、化学热力学惯用术语1
状态和状态函数： 状态由一些物理量来拟定，如气体状态由P、V、T、 n 等来拟定。 决定体系状态物理量称为 状态函数。 P、V、T、n 等均是状态函数。
Hθ= [ 2 ×Hfθ, Fe3O4(s) + Hfθ, CO2(g) ] – [ 3 ×Hfθ, Fe2O3(s) + Hfθ, CO(g) ]
= [ 2 ×(-1118）+ （-393.5)] –[ 3 ×(-824.2) + (-110.5)]
= -46.4 (kJ/mol)
(查表）
第15页
等温过程 G = H – T S （封闭体系） H < 0, S > 0 G < 0 正向自发 H > 0, S < 0 G > 0 正向非自发 当 G = 0 体系处于平衡
第28页
例
在标态，298 K时， CO(g) + NO(g) = CO2 (g) + 0.5 N2 (g)

早期的化学热力学研究主要集中在理 想气体和单一物质系统的平衡性质。
现代化学热力学与计算机模拟技术相 结合，为复杂化学反应和过程的研究 提供了强大的工具。
随着实验手段的进步，多组分系统、 溶液、非理想气体以及高分子系统的 热力学研究逐渐发展起来。
目前，化学热力学正朝着跨学科方向 发展，与生物学、材料科学等领域相 互渗透，为解决实际问题提供更多可 能性。
自主学习建议
提供进一步学习热力学的资源 和方法，鼓励学生自主学习， 深入探究热力学原理。
实践环节建议
针对课程内容，提出相应的实 验和实践环节建议，促进学生 理论与实践相结合，提高实践
能力。
THANKS
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焓变的计算可以通过已知 的焓值和反应系数进行计 算，也可以通过实验测定 。
影响因素
焓变的大小受反应温度、 压力、物质性质等多种因 素影响。
化学反应的熵变
熵变
熵变是化学反应过程中体系混乱 度的变化，用于衡量反应自发性
的方向。
计算方法
熵变可以通过已知的熵值和反应系 数进行计算，也可以通过实验测定 。
影响因素
《化学热力学初步》ppt课件
目 录
• 化学热力学简介 • 热力学基本概念 • 化学反应的热力学分析 • 热力学在化学中的应用 • 热力学与环境科学 • 总结与展望
01
化学热力学简介
化学热力学的定义
化学热力学是研究化 学反应和物理变化过 程中能量的转化和平 衡的学科。
化学热力学为化学反 应和过程的设计、优 化和控制提供了理论 依据。
热力学过程
01
02
03
等温过程
系统温度保持不变的过程 。等容过程Βιβλιοθήκη 系统体积保持不变的过程 。

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1.3 焓
1 定容热QV
若系统的变化是在等容下进行的，则dV=0， W = -PdV =0，
V 0
U Q +W
QV U
说明：U是状态函数（其微小变化用dU来表示） ，
而Qv是过程量（其微小变化用δ来表示） 。它们在 恒容、不作非体积功的过程时仅仅只是在数值上是 相等的。
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U UB UA
第36页/共123页
3 热力学第一定律的数学表达式
1） 由实验论证，热、功、内能三者的关系
例1：把100克0℃水放在一绝热套中，内有电阻丝。
水和电阻丝为系统，绝热箱和电池为环境。
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H2O（l，0℃） 始态A
H2O（l，50℃） 终态B
U1 UB U A W1
”
功（W）: 除热量之外，系统与环境交换
的其他能量。 功的符号：
环境对系统做功 W > 0，“+” 系统对环境做功 W < 0，“-”
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W = We + Wf
总功
膨胀功、 体积功
(Expansion Work)
非膨胀功、 非体积功
(work except expansion work)
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广度性质与强度性质的关系
➢ 每单位广度性质即强度性质
V / n = Vm
Cp / n = Cp, m
➢ 广度性质÷广度性质 = 强度性质
m/V=ρ
➢ 广度性质×强度性质 = 广度性质
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2 状态与状态函数
状态: 系统的一系列物理量的总和，系统性质的综合表现。

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非平衡态热力学基本概念
非平衡态定义
系统内部存在不均匀性，导致物 理量（如温度、压力、浓度等） 在空间或时间上呈现不均匀分布 的状态。
热力学流与力
描述非平衡态系统中，各种物理 量的流动（如热流、粒子流、信 息流等）及其驱动力（如温度梯 度、浓度梯度等）。
局域平衡假设
在非平衡态系统中，可以将其划 分为若干小区域，每个小区域内 达到局部平衡状态，从而可以应 用平衡态热力学的理论。
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热机循环与制冷循环
热机循环
将热能转换为机械能的循环过程，如内燃机 、蒸汽机等。热机循环通常包括吸热、膨胀 、放热和压缩四个基本过程。
制冷循环
将热量从低温物体传递到高温物体，实现制 冷的循环过程。制冷循环通常包括蒸发、压 缩、冷凝和膨胀四个基本过程。
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实际循环效率分析
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目录
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• 热力学基本概念与定律 • 热力学函数与性质 • 热力学过程与循环 • 相变热力学 • 化学反应热力学 • 非平衡态热力学简介
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热力学基本概念与定律
01
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3
热力学系统及其分类
01
孤立系统
与外界无任何相互作用的系统。
在恒温恒压下，当多相系统中各相的性质和 数量均不随时间变化时，称系统处于相平衡 状态。此时，各相的温度、压力相等，且各 相中组分的化学势也相等。
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相律
相律是描述相平衡系统中相数、组分数和自 由度数之间关系的定律。对于均相系统，相
律可表示为：F=C-P+2；对于非均相系统 ，相律可表示为：F=C-P+1。其中，F为自