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化学热力学

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化学热力学是物理化学和热力学的一个分支学科,它主要研究物质系统在各种条件下的物理和化学变化中所伴随着的能量变化,从而对化学反应的方向和进行的程度作出准确的判断。

化学热力学的核心理论有三个:所有的物质都具有能量,能量是守恒泪脚的,各种能量可以相互转化;事物总是自发地趋向于平衡态;处于平衡态的物质系统可用几个可观测量描述。

化学热力学是建立在三个基本定律基础上发展起来的。热力学第一定律就是能量守恒和转化定律,它是许多科学家实验总结出来的。一般公认,迈尔于1842年首先提出普遍“力”(即现在所谓的能量)的转化和守恒的概念。焦耳1840~1860年间用各种不同的机械生热法,进行热功当量测定,给能量守恒和转化概念以坚实的实验基础,从而使热力学第一定律得到科学界的公认。

化学是论述原子及其组合方式的科学。人们最初考察化学反应时,是把反应物放在一起,经过加热等手段,然后分析得到些什么产物,后来根据原子分子假说,有了“当量”的概念, 建立了墓嚷悼反应物与产物之间的一定联系。人们根据化学组分随条件的变化,发现了质量作用定律,引伸出化学平衡常数。运用热力学定律,人们开始掌握从热力学函数去计算化学平衡常数的方法凳多放,并且可以对化学反应的方向作出判断,诞生了循乌循化学热力学。

化学热力学的核心理论有三个:所有的物质都具有能量,能量是守恒的,各种能量可以相互转化;事物总是自发地趋向于平衡态;处于平衡态的物质系统可用几个可观测量描述。化学热力学是建立在三个基本定律基础上发展起来的。

热力学所根据的基本规律枣榜弃就是热力学第一定律、第二定律和第三定律,从这些定律出发,用数学方法加以演绎推论,就可得到描写物质体系平衡的热力学函数及函数间的相互关系,再结合必要的热化学数据,解决化学变化、物理变化的方向和限度,这就是化学热力学的基本内容和方法。

经典热力学是宏观理论,它不依赖于物质的微观结构。分子结构理论的发展和变化,都无需修改热力学概念和理论,因此不能只从经典热力学获得分子层次的任何信息。并且它只处理平衡问题而不涉及这种平衡状态是怎样达到的,只需要知道系统的起始状态和终止状态就可得到可靠的结果,不涉及变化的细节,所以不能解决过程的速率问题。欲解决上述两个局限性问题,需要其其它学科如化学统计力学、化学动力学等的帮助。

主要内容是用热力学第一定律研究“化学反应热”方面的问题。在化学反应中,一摩尔物质的变化(指主要的生成物或反应物)所吸收的热量名为化学反应热,简称为反应热。根据热力学第一定律知道,在定温、定压(或定容)下发生的化学反应,其反应热Qp(或Qp)等于反应过程焓(或内能)的变化 ΔH(或ΔU)。

主要内容是应用热力学的平衡判据研究化学反应的平衡条件。在化学热力学中通常把化学反应方程写作等式,例如,在化学热力学中将高温下氢分子和氧分子化合成水的反应式写为2H2+O2=2H2O。

用热力学方法研究多组元体系的理论。 溶液是液态溶体。溶体是一个含有两种或两种以上组元的均匀系。当溶体是气相时,通常叫做混合气体;当溶体是固相时,叫做固溶体。

(1)体系与环境

体系:我们研究的对象,称为体系。环境:体系以外的其他部分,称为环境。例如:我们研究杯子中的H2O,则H2O是体系,水面上的空气、杯子皆为环境。当然,桌子、房屋、地球、渗危说兵太阳也皆为环境。但我们着眼于和体系密切相关的环境,即空气和杯子等。又如:若以N2和O2混合气体中的O2作为体系,则N2是环境,容器也是环境。

(2)状态与状态函数

状态:由一系列表征体系性质的物理量所确定下来的体系的一种存在形式,称为体系的状态。状态函数:确定体系状态的物理量,是状态函数。

(3)状态与途径

过程:体系的状态发生变化,从始态到终态,经历了一个热力学过程,简称过程。若体系在恒温条件下发生了状态变化,则体系的变化为“恒温过程”。若体系变化时和环境之间无热量交换,则称为“绝热过程”。

途径:完成一个热力学过程,可以采取不同的方式。我们把每种具体的方式,称为一种途径。过程着重于始态和终态,而途径着重于具体方式。

(4)体积功

化学反应过程中,经常发生体积变化。体系反抗外压改变体积,盛台照坑产生体积功。

(5)热力学能

体系内部所有能量之和,包括分子原子的动能、势能、核能、电子的动能,以及一些尚未研究的能量,热力学上用符号U表示。虽然体系的内能尚不能求得,但是体系的状态一定时,内能是一个固定值,因此,U是体系的状态函数。