第5章-化学热力学和化学动力学基础ppt课件.ppt
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1、第第第第5 5章章章章 化学热力学化学热力学化学热力学化学热力学和化学动力学基础和化学动力学基础和化学动力学基础和化学动力学基础从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。对于一个化学反应,必须研究三个问题:对于一个化学反应,必须研究三个问题:1、反应能否自发进行?、反应能否自发进行?方向性问题方向性问题2、给定条件下,有多少反应物最大限度、给定条件下,有多少反应物最大限度转化为产物?转化为产物?化学平衡问题化学平衡问题3、实现这种转化需要多长时间?如何转化?、实现这种转化需要多长时间?如何转化?反应
2、速率,反应机理反应速率,反应机理化学热力学化学热力学化学动力学化学动力学从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。化学热力学、动力学的区别:化学热力学、动力学的区别:化学热力学:化学热力学:能量交换(能量交换(H)、方向()、方向(G)、限度)、限度(K)及其影响因素,)及其影响因素,即反应的可能性,不考虑时间因素和即反应的可能性,不考虑时间因素和过程细节。过程细节。化学动力学:化学动力学:反应速率(快慢)及其影响因素、反应机反应速率(快慢)及其影响因素、反应机理(怎样进行),理(怎样进行),即反应
3、的现实性。即反应的现实性。物理化学的两大重要分支。物理化学的两大重要分支。一句话,一句话,化学热力学化学热力学只回答反应的只回答反应的可能性可能性问题;问题;化学动力学化学动力学才回答反应的才回答反应的现实性现实性问题问题。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。热力学角度:两个反应都能自发进行。如何发生、反应热力学角度:两个反应都能自发进行。如何发生、反应快慢等均不考虑(实际上快慢等均不考虑(实际上反应非常慢,需要其它条件反应非常慢,需要其它条件)。)。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开
4、式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。动力学认为动力学认为:需一定的需一定的T,p和催化剂和催化剂点火,加热或催化剂点火,加热或催化剂可见,动力学把热力学的可能性变为现实性,满足生产和可见,动力学把热力学的可能性变为现实性,满足生产和科学技术的要求。科学技术的要求。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。什么是热力学?什么是热力学?从从能量转化能量转化观点研究物质的观点研究物质的热性质热性质,揭示能量从,揭示能量从一种形式一种形式转换为转换
5、为另一种形式时所遵从的宏观规律。另一种形式时所遵从的宏观规律。热力学的基础:热力学三定律热力学的基础:热力学三定律什么是化学什么是化学热力学热力学?将热力学的原理应用于化学变化。将热力学的原理应用于化学变化。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。化学热力学化学热力学研究的主要问题研究的主要问题:热、功及其它形式的能量相互转换时所遵循的规律热、功及其它形式的能量相互转换时所遵循的规律指定条件下,某一化学反应能否自发进行指定条件下,某一化学反应能否自发进行若反应能自发进行,进行的程度如何?若反应能自
6、发进行,进行的程度如何?指定条件下,某一化学进行时,与外界交换指定条件下,某一化学进行时,与外界交换多少能量,多少能量,计算化学反应热。即化学反应中能量是计算化学反应热。即化学反应中能量是如何变化的?如何变化的?判断化学反应进行的方向判断化学反应进行的方向化学平衡的问题化学平衡的问题从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。化学热力学的特点:化学热力学的特点:研究对象为大量分子的研究对象为大量分子的集合体集合体,研究,研究宏观性质宏观性质,具,具有有统计统计意义。意义。只考虑变化前后的净结果,不考虑
7、物质的微观结只考虑变化前后的净结果,不考虑物质的微观结构和反应机理。构和反应机理。能判断变化能否自发进行以及进行到什么程度,能判断变化能否自发进行以及进行到什么程度,但不考虑所需要时间。但不考虑所需要时间。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。化学热力学的局限性:化学热力学的局限性:(1)不知道机理、速率和微观性质不知道机理、速率和微观性质;(2)只讲可能性,不讲现实性。只讲可能性,不讲现实性。【例例】CO+NO=CO2+1/2N2热力学计算表明,此反应常温下可正向进行,生成热力学计算表明,此反
8、应常温下可正向进行,生成CO2(g)和和N2(g)实际上此反应极慢,必须存在合适的催化剂实际上此反应极慢,必须存在合适的催化剂从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。1基本概念基本概念一、化学计量系数和化学反应进度一、化学计量系数和化学反应进度1、化学计量系数、化学计量系数令A=-a,B=-b,D=d,E=e。对任一反应:对任一反应:得得0=AA+BB+DD+EE即即化学计量系数:表示反应过程中各物质的量之间转化的比例关系,不说明在反应进程中各物质所转化的量物质B的化学计量系数,反应物的 为负,产
9、物的 为正。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。2、反应进度反应进度 反应进度(反应进度(,ksai):反应进行的程度。):反应进行的程度。aA+bB=dD+eE 如何方便地表示反应进度呢?如何方便地表示反应进度呢?最简单最直接地就是用反应前后,反应物或产物的最简单最直接地就是用反应前后,反应物或产物的物物质的量变化质的量变化(n)来表示。)来表示。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。aA+b
10、B=dD+eEt=0,nA,0nB,0nD,0nE,0t=tnAnBnDnE这样表示反应进度是否合理?这样表示反应进度是否合理?存在什么问题?存在什么问题?从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。仅用仅用 n表示反应进度显然不科学,因为不同的物质表示反应进度显然不科学,因为不同的物质可能得到不同的结果。?可能得到不同的结果。?最简单的办法:除以各自的计量系数。最简单的办法:除以各自的计量系数。B:任一组分:任一组分B的化学计量系数,的化学计量系数,反应物取负值,反应物取负值,产物取正值,产物取正值
11、,可为整数,也可为分数。可为整数,也可为分数。nB,0和和nB:任一组分:任一组分B在起始和在起始和t 时刻的物质的量。时刻的物质的量。【单位单位】mol从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。若从若从t1t2,其,其反应进度变化(反应进度变化()从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。例如:例如:对反应对反应3H2(g)+N2(g)=2NH3(g)反应前:反应前:3mol1mol0反应后:反应后:0
12、02与选择何种物质没有关系与选择何种物质没有关系1mol,意味什么?,意味什么?【意味着意味着】化学反应中,化学反应中,n正好等于反应式中该物质的正好等于反应式中该物质的化学计量系数。化学计量系数。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。N2(g)+3H2(g)=2NH3(g),如如=1?表示表示1molN2+3molH22NH31.5H2(g)+0.5N2(g)=1NH3(g)如如=1?1.5molH2与与0.5molN2反应生成反应生成1molNH3。可见,化学反应式书写不同,反应进度的含义也
13、可见,化学反应式书写不同,反应进度的含义也不同。不同。因此,因此,使用使用反应进度反应进度时,一定要与具体的时,一定要与具体的反反应式对应应式对应。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。二、体系与环境二、体系与环境1、体系、体系被划定的研究对象,也称被划定的研究对象,也称系统系统或或物系。物系。2、环境、环境体系之外与体系密切相关的部分。体系之外与体系密切相关的部分。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不
14、再说明。装有盐酸的烧杯,其中插入锌片,装有盐酸的烧杯,其中插入锌片,只研只研究究盐酸溶液中发生的变化盐酸溶液中发生的变化时时体系:体系:放有锌片的盐酸溶液放有锌片的盐酸溶液 环境:环境:液面上的空气、烧杯及其外部空间液面上的空气、烧杯及其外部空间从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。3、体系的分类、体系的分类根据体系与环境之间根据体系与环境之间物质及能量的交换物质及能量的交换关系,体系关系,体系可分为:可分为:能量交换物质交换能量交换物质交换有能量交换,无物质交换;有能量交换,无物质交换;(1)
15、敞开体系敞开体系(2)封闭体系封闭体系(3)孤立体系孤立体系既无物质交换,又无能量交换。既无物质交换,又无能量交换。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。三、状态与状态函数三、状态与状态函数 描述一个体系,必须确定它的描述一个体系,必须确定它的一系列物理、化学性一系列物理、化学性质质(如温度、压力、质量、体积、组成、能量和聚集态(如温度、压力、质量、体积、组成、能量和聚集态等),这些性质的总和,等),这些性质的总和,决定了体系的状态决定了体系的状态。1、状态状态可见,体系处于一定状态时,其一切性
16、质(温度、压力、体可见,体系处于一定状态时,其一切性质(温度、压力、体积、质量、密度、组成等)应有积、质量、密度、组成等)应有确定的数值确定的数值。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。2、状态函数状态函数描述体系状态的物理量描述体系状态的物理量某理想气体:某理想气体:n=2mol,p=1.013 105Pa,V=44.8L,T=273K处于一种确定的状态,处于一种确定的状态,n、p、V、T称为状态函数。称为状态函数。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾
17、构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。状态函数的特点状态函数的特点:体系体系的状态函数相互联系、相互制约,之间的状态函数相互联系、相互制约,之间存在一定的联系。存在一定的联系。如如pV=nRT状态函数的变化值只与状态函数的变化值只与体系的始态和终态有关体系的始态和终态有关,与变化的与变化的途径无关途径无关。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。1 105Pa2L2 105Pa1L0.5 105Pa4L4 105Pa0.5L p=p终终p始始=2 1051 105=1 105
18、(Pa)V=V终终V始始=12=1L从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。四、过程和途径四、过程和途径过程:过程:体系状态发生变化的经过体系状态发生变化的经过途径:途径:完成这个过程的具体步骤完成这个过程的具体步骤过程侧重于始态和终态;过程侧重于始态和终态;途径侧重于具体方式。途径侧重于具体方式。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。等温等温T=0Q=0等压等压P=0定容定容V=0绝热绝热Q=0化
19、学反应中常见的过程化学反应中常见的过程从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。2热力学第一定律热力学第一定律 热力学有三个定律,它们不是推导出来的,而热力学有三个定律,它们不是推导出来的,而是无数次实验的总结,其结论都是可靠的。是无数次实验的总结,其结论都是可靠的。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。一、一、热和功热和功体系的状态发生变化时,往往要与环境交换体系的状态发生变化时,往往要与环境交换能
20、量,所交换的能量有能量,所交换的能量有热热、功功两种形式。两种形式。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。因因温度不同温度不同,体系和环境之间传递的能量称为,体系和环境之间传递的能量称为热,用热,用Q 表示表示1、热(、热(Q)热力学规定:热力学规定:体系吸热为正(体系吸热为正(Q0)体系放热为负(体系放热为负(Q0)【注注】Q不是状态函数,其值与途径有关。不是状态函数,其值与途径有关。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工
21、中已很少使用,在此不再说明。2、功(、功(W)热力学中,除热之外,其它各种被传递的能量统称为功,热力学中,除热之外,其它各种被传递的能量统称为功,用用W表示。表示。功功体积功体积功非体积功非体积功由于体积变化而克服阻力(即反抗外压)由于体积变化而克服阻力(即反抗外压)所做的功,也称所做的功,也称膨胀功膨胀功。除体积功以外的其他形式的功除体积功以外的其他形式的功。W=-p(外压外压)(V2-V1)=-p V从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。热力学规定:热力学规定:环境对体系做功为正(环境对体系
22、做功为正(W 0)体系对环境做功体系对环境做功为负(为负(W 0)热、功热、功的值均与途径有关,的值均与途径有关,都都不是状态函数不是状态函数!从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。p1=1000kPaV1=0.010m3p2=100kPaV2=0.100m3途径一:一次膨胀途径一:一次膨胀始终保持外压始终保持外压100kPa,由始态膨胀至终,由始态膨胀至终态。体系对环境功(体积功):态。体系对环境功(体积功):W1=-p(外压外压)V=-100kPa(0.100-0.010)m3=-9.0kJ
23、不同途径的不同途径的体积功?体积功?从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。p1=1000kPaV1=0.010m3p2=100kPaV2=0.100m3途径二:两次膨胀途径二:两次膨胀先在先在500kPa的外压下膨胀至平衡态(体积为的外压下膨胀至平衡态(体积为0.020m3),),然后然后100kPa膨胀至终态。系统对环境做的体积功为:膨胀至终态。系统对环境做的体积功为:W2=-500kPa(0.020-0.010)m3-100kPa(0.100-0.020)m3=-13.0kJ不同途径的不同途
24、径的体积功?体积功?从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。p1=1000kPaV1=0.010m3p2=100kPaV2=0.100m3途径三:可逆膨胀途径三:可逆膨胀外压慢慢减小,气体逐渐膨胀,直至外压慢慢减小,气体逐渐膨胀,直至外压至外压至100kPa为止,如活塞上的水(压为止,如活塞上的水(压力为力为1000kPa)慢慢蒸发)慢慢蒸发。水水气体气体由此可知,途径不同,由此可知,途径不同,W不同,不同,W不是状态函数不是状态函数此时,体系对环境做的体积功最大此时,体系对环境做的体积功最大不同
25、途径的不同途径的体积功?体积功?从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用,在此不再说明。一杯水有多少热或多少功?一杯水有多少热或多少功?十十分分荒荒谬谬!因因为为热热和和功功都都不不是是体体系系本本身身的的性性质质,只只有有在在体体系系状状态态变变化化过过程程中中才才表表现现出出来来。因因此此它它们们是是过过程程量量,不不是是状状态态函函数数,不不能能说说体体系系含含有有多多少少热热和功和功。从使用情况来看,闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构,但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用
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