工程化学教案——第一章 热力学
主讲教师:董文魁,许力,李静萍等
使用教材:许力等编著,《工程化学》,兰州大学出版社
授课对象:非化学类各专业学生
第一章 热力学(讲授时数: 14学时)
学习目的和要求
掌握热化学的基本术语和概念(系统和环境,状态与状态函数,过程,相,化学反应进度).
掌握热力学第一定律(热力学能,热和功,热力学第一定律,焓和热化学方程式,盖斯定律,键焓与反应焓).
了解能源.
4. 掌握标准平衡常数的表达式,意义,应用.
掌握化学平衡移动的规律.
掌握熵,熵变和绝对熵的概念,意义.
掌握化学反应的标准摩尔吉布斯函数的引入和△rGθm(T)的近似计算,能用其判定化学反应进行的方向.
8. 理解标准平衡常数Kθ的意义及其与△rGθm(T)的关系,并掌握有关计算.
二. 本章节重点,难点
热化学的基本术语和概念(系统和环境,状态与状态函数,过程,相,化学反应进度);热力学第一定律(热力学能,热和功,热力学第一定律,焓和热化学方程式,盖斯定律,键焓与反应焓).标准平衡常数的表达式,意义,应用(判断反应方向;程度,计算平衡组成);化学平衡移动的规律;掌握熵,熵变和绝对熵的概念,意义.化学反应的标准摩尔吉布斯函数的引入和△rGθm(T)的近似计算,(化学反应的方向和吉布斯函数;化学反应进行的程度);标准平衡常数Kθ的意义及其与△rGθm(T)的关系;;化学反应的标准摩尔吉布斯自由能函数变△rGθm(T)的近似计算;用△rGθm(T)判定化学反应进行的方向.
三. 学时分配
热化学的基本术语和概念(系统和环境,状态与状态函数,过程,相,化学反应进度)(2学时).
热力学第一定律(热力学能,热和功,热力学第一定律)(2学时)
焓和热化学方程式,盖斯定律,键焓与反应焓(2学时).标准平衡常数的表达式,意义,应用(2学时).
化学平衡移动的规律(1学时).
熵,熵变和绝对熵的概念,意义(2学时).
掌握化学反应的标准摩尔吉布斯函数的引入和△rGθm(T)的近似计算,能用其判定化学反应进行的方向.(2学时)
理解标准平衡常数Kθ的意义及其与△rGθm(T)的关系,并掌握有关计算(1学时).
四. 教学内容:
第一节 热力学基本概念
一,系统与环境
我们用观察,实验等方法进行科学研究时.必须先确定所要研究的对象.选取物质世界的一部分作为研究的对象,称之为系统;把系统以外与系统紧密相关的周围所能及影响的部分,则称为环境.例如,在化工厂,有塔,管道,反应釜,泵等设各,假如选取反应釜为研究对象,亦即系统,而反应釜周围的与反应釜相关的其他设备以及大气都视为环境.
根据系统与环境之间联系,把系统分为三种类型:
(1)敞开系统——系统与环境之间,既有物质传递又有能量交换.
(2)封闭系统——系统与环境之间,没有物质传递而只有能量交换.
(3)隔离系统(孤立系统)——系统与环境之间,既没有物质传递也没有能量传递.
例如,一杯未加盖的热水可视为敞开系统,因为它既有水分子选出水面进入空气,又与环境交换热量.若将水杯加益盖紧后,则杯内水及水分子所在空间为封闭系统,这时它和环境只有能量的传递而无物质的传递.如果这杯热水加益盖紧后,用良好的绝热材料包起来,使系统与环境完全隔绝,没有能量和物质的传递,则成为隔离系统.严格说来,完全隔离系统是不存在的.因为没有一种绝对的绝热材料,保持系统与环境不发生能量交换.我们为了研究问题的方便,提供近似的假设是有现实意义的.
二,状态和状态函数
热力学用系统所有性质来描述它的状态,当系统所有的性质确定后,状态就完全确定.换言之,系统状态确定后,它的所有性质均有确定值,因此热力学系统的状态就是其物理性质与化学性质的综合表现.确定系统状态的性质称为状态性质.应该说,系统的热力学状态性质只决定系统当时所处的状态,而与系统如何达到这一状态无关.鉴于状态与性质之间的这种单值对应关系,系统的这些热力学性质又称为状态函数.
状态不变时,所有状态函数都保持原有的数值,只有当状态改变时,状态函数才可能改变.既然状态函数的值只决定于状态,那么显然状态函数的改变值只与系统的始态与终态有关,而与系统如何由始态变到终态的途径无关.
状态性质之间都是相互联系,相互制约的.其中某一性质发生变化,另一些性质也随之而变.用数学语言来讲,前者称为状态变量,后者称为状态函数.这种函数关系用数学式表示出来,就称为状态方程.例如,对于一定量的理想气体,p,v,T,n之间存在着一个状态方程PV=nRT,在P,V,n,T这四个状态变量中,只要知道三个,通过状态方程就可以确定第四个状态变量.它们之间,每一个状态函数皆可以表示为另外几个状态变量的函数.综上所述,状态函数有如下的特点;

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