12345

能量守恒定律：能量守恒与转化定律可表述为，自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，但在转化过程中，能量的总值不变。科学界公认能量守恒定律是自然界的普遍规律之一。

热力学第一定律

• 第一节 热力学概论
  • 热力学的研究对象
    • 热力学：是物理学的一个分支，研究物体的热运动形态与其他形态之间相互转换规律的一门学科
    • 化学热力学：把热力学的基本原理用来研究化学现象及与化学现象有关的物理现象
  • 热力学解决的问题
    • 热力学第一定律--化学变化过程中能量转化的问题
    • 热力学第二定律--化学变化的方向和限度问题
  • 热力学方法的特点和局限性
    • 特点
      • 研究对象是宏观系统的宏观性质
      • 只考虑变化前后始终状态，不考虑变化过程的具体细节
      • 没有时间概念，不涉及过程的速率问题
    • 局限性
      • 对个别分子的微观性质无能为力
      • 对变化的细节无能为力
      • 对变化的速率问题无能为力
  • 基本概念
    • 系统和环境
      • 概念
        • 系统：在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其余分开，这种被划定的研究对象称为系统，亦称为物系或体系。
        • 环境：与系统密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。
      • 系统分类
        • 隔离系统：孤立体系，环境与体系间既无能量交换又无物质交换。
        • 封闭系统：体系与环境无物质交换但有能量交换。
        • 敞开系统：体系与环境既有能量交换又有物质交换。
    • 状态和状态函数
      • 状态
        • 概念：是系统物理性质和化学性质的综合表现。
        • 性质：能够描述系统状态的这些性质称为状态性质。
      • 状态函数
        • 概念：系统的一些性质，其数值仅取决于系统所处的状态，而与系统的历史无关；它的变化值仅取决于系统的始态和末态，而与变化的途径无关。具有这种特性的物理量称为状态函数（state function） 。
        • 特性：异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。
        • 特点
          • 1. 状态函数的数值只取决于当时的状态而与达到这一状态的历史无关。
          • 2. 状态函数有许多个，只要一个发生变化系统的状态就发生变化。
          • 3. 所有状态函数之间都有一定的关系，对于均相、封闭系统，系统的物质的量及组成确定只需2个状态函数就能确定系统的状态。
          • 4. 状态函数在数学上是全微分。
        • 分类--按照热力学系统宏观性质（状态函数）的数值是否与物质的数量有关
          • 广度量（extensive properties）：又称为容量性质，它的数值与系统的物质的数量成正比，如体积、热力学能、熵等。这种性质有加和性。
          • 强度量（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。指定了物质的量的容量性质即成为强度性质，如摩尔热容。
    • 热力学平衡态
      • 热平衡（thermal equilibrium）：系统各部分温度相等，有单一的温度。
      • 力学平衡（mechanical equilibrium）：系统各部的压力都相等，有单一的压力。
      • 相平衡（phase equilibrium）：多相共存时，各相的组成和数量不随时间而改变。
      • 化学平衡（chemical equilibrium ）：反应系统中各物的数量不再随时间而改变。
      • 当系统的诸性质不随时间而改变，则系统就处于热力学平衡态
    • 过程和途径
      • 概念
        • 过程：系统从某一状态变化到另一状态的经历。过程前的状态成为始态，过程后的状态成为末态。一般将过程分为三类：单纯PVT变化；相变化；化学变化。
        • 途径：实现这一过程的具体步骤。
      • 常见的变化过程
        • 1. 恒温过程（isothermal process) 在变化过程中，系统的温度等于环境的温度等于定值。
        • 2. 恒压过程（isobaric process) 在变化过程中，系统的压力始终保持不变，等于环境的压力。
        • 3. 恒容过程（isochoric process) 在变化过程中，系统的容积始终保持不变。
        • 4. 绝热过程（adiabatic process) 在变化过程中，系统与环境不发生热的传递。对那些变化极快的过程，如爆炸，快速燃烧，系统与环境来不及发生热交换，那个瞬间可近似作为绝热过程处理。
        • 5. 循环过程（cyclic process) 系统从始态出发，经过一系列变化后又回到了始态的变化过程。在这个过程中，所有状态函数的变量等于零。
    • 热和功
      • 热：系统与环境之间因温差而传递的能量称为热，用符号Q 表示。
      • 功：系统与环境之间传递的除热以外的其它能量都称为功，用符号W表示。
        • Q和W都不是状态函数，其数值与变化途径有关。
    • 热力学能
      • 概念：热力学能（thermodynamic energy）以前称为内能（internal energy）,它是指系统内部能量的总和，包括分子运动的平动能、分子内的转动能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间的相互作用位能等。
        • 热力学能是状态函数，用符号U 表示，单位为J，它的绝对值无法测定，只能求出它的变化值。
      • 性质： 1、 孤立系统的热力学能能恒为常数，一切变化ΔU=0 2 、热力学能为状态函数，是广度量，在数学上是全微分 3 、封闭系统的热力学改变量只取决于始末态而与变化的途径无关 4 、循环过程ΔU=0
• 第二节 热力学第一定律
  • 能量守恒定律：能量守恒与转化定律可表述为，自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，但在转化过程中，能量的总值不变。科学界公认能量守恒定律是自然界的普遍规律之一。
  • 第一定律的文字表述：是能量守恒与转化定律在热现象领域内所具有的特殊形式，说明热力学能U、热Q和功W之间可以相互转化，但总的能量不变。
  • 第一定律的数学表达式：对封闭系统，若由始态变到末态的过程中系统从环境吸热为Q，环境对系统做功为W，则依据能量守恒原理，有： ； 对微小变化：
• 第三节 体积功
  • 体积功的概念 体积功（膨胀功）：是在一定的环境压力下，因系统的体积发生变化而与环境交换的能量。
  • 膨胀
    • 
    • ，
    • ，，
    • ，，
  • 压缩
    • ，
    • ，，
    • ，，
  • 
  • 相变过程体积功
    • 1、正常沸点下的气、液平衡。
    • 2、正常熔点下的固、液平衡。
    • 3、正常转化温度、相变温度下的相变化和晶型转化。
• 第四节 恒压热，恒容热和焓
  • 焓的定义：
    • 
    • 焓是状态函数 定义式中焓由状态函数组成。
    • 焓的绝对值不能测定，也没有明确的物理意义。
    • 焓不是能量，虽然具有能量的单位，但不遵守能量守恒定律。
    • 焓是状态函数 定义式中焓由状态函数组成。
  • 恒压热、恒容热
    • 
      • 适用范围：只做体积功的恒压过程。
    • 
      • 适用范围：恒容、只做体积功。
• 第十节 由标准数据求反应焓
  • 标准摩尔生成焓：在温度T的标准态下，由稳定相态的单质生成1 mol β相态的化合物B(β)，生成反应的焓变即为该化合物B(β)在温度T下的标准摩尔生成焓，用下述符号表示：（物质，相态，温度）[注：下标“f”表示formation ；上标“ 
    • 推广：对于反应，有
  • 标准摩尔燃烧焓：在温度T的标准状态下，由1mol β相态的物质B(β)与氧进行完全氧化反应时，反应的焓变即为该物质在温度T下的标准摩尔燃烧焓。用符号(物质、相态、温度)表示。[注：下标“c”表示combustion；上标“ 
    • 化学反应的焓变值等于各反应物燃烧焓的总和减去各产物燃烧焓的总和。
    • 推广：对于反应，有
• 第九节 赫斯定律
  • 定律：反应的热效应只与起始和终了状态有关，与变化途径无关。不管反应是一步完成的，还是分几步完成的，其热效应相同，当然要保持反应条件（如温度、压力等）不变。
  • 应用：对于进行得太慢的或反应程度不易控制而无法直接测定反应热的化学反应，可以用赫斯定律，利用容易测定的反应热来计算不容易测定的反应热。
• 第八节 热化学
  • 反应进度：表征反应进展程度的物理量，用ξ表示。
    • 定义：反应到某一时刻的ξ是系统中任一物 质的物质的量的变化与化学计量数的比值
    • [注：应用反应进度，必须与化学反应计量方程相对应。]
    • 优点：在反应进行到任意时刻，可以用任一反应物或生成物来表示反应进行的程度，所得的值都是相同的，即：
  • 热化学方程式（表示化学反应与焓变关系的方程式）
    • 分辨不同的“焓”
      • （1）反应焓：在一定温度压力下，化学反应中生成的产物的焓与反应掉的反应物的焓之差。
      • （2）摩尔反应焓：反应焓与反应进度之比。
      • （3）标准摩尔反应焓：反应中各个组分均处于温度T的纯态及标准状态下的摩尔反应焓。
    • 热化学方程式
      • 
  • 压力的标准态
    • 标准态用符号“  ”表示，表示压力标准态。
    • 物质的标准态
      • 气体的标准态：压力为的理想气体，是假象态。
      • 固体、液体的标准态：压力为的纯固体或纯液体。
      • 注：标准态不规定温度，每个温度都有一个标准态。
  • 恒压、恒容反应热
    • 反应热：当系统发生反应之后，使产物的温度回到反应前始态时的温度，系统放出或吸收的热量，称为该反应的反应热也叫热效应。
    • 恒压热效应：反应在恒压下进行所产生的热效应为，如果不作非体积功，则。
    • 恒容热效应
    •  
• 第七节 相变焓
  • 相变焓：物质在恒定温度T及该温度平衡压力下发生相变时对应的焓变，记为 ，单位J。
  • 摩尔相变焓：1mol 纯物质在恒定温度T及该温度平衡压力下发生相变时对应的焓变，记为。
  • 相变焓随温度的变化：，
  • 由T1的相变焓计算T2的相变焓通式：，。
  • 设计途径
    • 
• 第六节 热力学第一定律对理想气体的应用
  • 盖·吕萨克--焦耳实验
    • ，
    • 在恒温时，改变体积或压力，理想气体的热力学能和焓保持不变。
  • 理想气体的热力学能和焓
    • 
    • 
    • 
  • 理想气体的关系
    • ，
    • 
    • 
  • 绝热过程
    • （1）绝热过程热力学量的计算：
    • （2）理想气体绝热可逆过程方程式，理想气体在绝热可逆过程中， 三者遵循的关系式称为绝热过程方程式，可表示为：
    • （3）绝热过程的功 在绝热过程中，系统与环境间无热的交换，但可以有功的交换。根据热力学第一定律：
• 第五节 热容
  • 平均热容定义：
  • 比热容：规定物质的数量为1 g（或1 kg）的热容。 单位为： J∙K-1∙g-1或是 J∙K-1∙kg-1 。
  • 摩尔热容Cm：规定物质的数量为1 mol的热容。 单位为：J∙K-1∙mol-1 。
  • 
  •