第一章 热力学第一定律(简明教程物理化学) [兼容模式]
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第一章 第 章 热力学第 热力学第一定律 定律化学与材料科学学院2009年9月
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§1.1 热力学研究对象一、热力学与化学热力学 热力学：研究能量相互转换中应遵循的规律的科学。 热力学：研究能量相互转换中应遵循的规律的科学 化学热力学：是把热力学的最基本原理用来研究化学 现象以及与化学有关的物理现象的一门学科。 二、热力学的内容 1 热力学第一定律 1.热力学第 定律 ——变化过程中的能量转换的定 量关系。 2.热力学第二定律 ——变化过程的方向和限度。 3 热力学第三定律——规定熵，解决化学平衡的计算 3.热力学第三定律 问题。
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三、热力学的方法：逻辑推理法 １. 研究对象为大量质点的宏观体系（唯象理论） 即只研究物质的宏观性质，不考虑微观性 究物质的 质 考 微 质和个别分子的行为 质和个别分子的行为。 ２. 只须知道系统的始、终态，即不管过程进行的 机理 也无须知道其结构变化 机理，也无须知道其结构变化。 ３. 在热力学研究中无时间概念，即不管（反应） 变化速率。 例 根据热力学计算 金刚石可自发地变 例：根据热力学计算，金刚石可自发地变 成石墨，但这个过程需用多少时间？发生变化 的根本原因和机理？热力学中无法知道。
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§1.2 基本概念一、系统和环境 二、状态和状态函数 三、过程与途径 过程与途径 四 热力学平衡系统 四、热力学平衡系统
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一、系统和环境 System and Surroundings系统： ：被划定的研究对象 环境： ：系统以外的，与系统有关的部分 系统与环境有实际的或想象的界面分开 系统的分类 系统的分类：敞 系统 敞开系统封闭系统隔离系统
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敞开系统：既有物质交换，又有能量交换 封闭系统：无物质交换，但有能量交换 隔离系统： 离系统 既无物质交换 既无物质交换，又无能量交换 又无能量交换二、状态和状态函数 (State and State function)1.定义 状态：系统的物理、化学性质的综合表现; 状态性质：系统处于某一状态时的性质，是系统 本身所属的宏观物理量。 本身所属的宏观物理量 如：T，p, ρ ，V，m， U，H，S… 状态性质之间互相联系的，不是独立的，在数学 上有函数关系，所以又称状态函数。
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2. 状态函数的分类容量性质：extensive properties 其数值与系统中物质的 成 其数值与系统中物质的量成正比，且有加和性 有 如：Vi∝ni V(总) 如 )=V1+V2+… 强度性质：intensive properties 其数值与系统中物质的量无关，且不具有加和性 如：T，p，ρ
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3. 状态函数的特点 状 函数的特点① 状态函数的改变量只与始、终态有关，与变化途 X 径无关 径无关；ΔX =∫2X1dX = X 2 X 1② 状态函数的微小变化是全微分。 如 p=f(T,V) 如：Δ X = ∫ dX = 0 p p dp = dT + dV T V V T移项整理 p T V = 1 T V V p p T
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③ 状态函数之间互为函数关系 (A) 纯物质(单质或化合物)的单相体系而言，它的状 态需 三个变量确定其状态。 例如：可采用 T、P、n三个变量来确定。 若为封闭体系，则n 一定，只需两个变量(T, P) (B) C 组分单相体系：任意情况下(C (C+2) 2)个独立变量。 如 V=f(T, P, n1, n2, n3, ) 密闭体系或强度性质 C+1 个 (C) ( ) C组分多相密闭体系： 多 密 体 f=C-φ+2 ④ 两个容量性质相除得强度性质。 如： ρ ＝m /V, Vm=V /n
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三、过程与途径系统状态发生的变化为过程，变化的具体步骤称为 途径 可分为三类： 途径。可分为三类： 1. 简单状态变化过程 定温过程( )T，定压过程( )p， 定容过程( )V ， 循环过程，绝热过程等。 2. 相变过程：系统物态发生变化，如 气化(vapor)：液→气 熔化(fusion)：固→液 升华过程(sublimation)：固→气。 3. 化学变化过程: Zn+CuSO4 (aq) → Cu+ZnSO4 (aq)
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四、热力学平衡态系统与环境间无物质、能量的交换，系统各状态性 质均不随时间而变化时，称系统处于热力学平衡态 1. 热平衡：thermal equilibrium 系统中各部分温度相同 2 机械平衡：mechanical equilibrium 2. 系统各部分之间没有不平衡力存在 3. 化学平衡：chemical equilibrium 系统的组成不再随时间而改变 4. 相平衡：phase equilibrium 系统中各相的数量和组成不随时间变化
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§1.3 能量守恒—热力学第一定律 Conservation of energy一、热力学第一定律的文字表述 、热力学第 定律的文字表述 * 能量守恒原理: 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 种形式，但在转化过程中，能量的总值不变。* 孤立体系的总能量保持不变。 * 第一类永动机不可能制成的。不供给能量而可以连续不断对外做功的机器叫作 第一类永动机 无数事实表明 第一类永动机不 第一类永动机。无数事实表明，第一类永动机不 可能存在。
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