丝姜大字 物理化学讲滈 第三章热力学第二定律 (12学时) 物理化学教研室
物理化学讲稿 第三章 热力学第二定律 （12 学时） 物理化学教研室
第三章 热力学第二定律（教学方案） 章节名称 第三章热力学第二定律 备注 授课方式 理论课（√） 教学时数 12 1、了解自发过程的共同特征，明确热力学第二定律的意义。 2、 明确从卡诺热机得出克劳修斯原理和熵函数的逻辑性，从而 理解克劳修斯不等式的重要性与熵函数的概念。 教学目 3、熟记并理解S、A、G的定义与各热力学函数间的关系。 4、明确利用热力学函数在特定条件下作为过程方向和限度的判 及要求 据，熟练△S和△G的计算与应用。 5、了解熵的统计意义和热力学第三定律、规定熵的意义、计算 及应用。 6、 初步了解不可逆过程热力学关于熵流和熵产生等基本内容。 教学内容提要 时间分配 -2-
- 2 - 第三章 热力学第二定律(教学方案) 章节名称 第三章 热力学第二定律 备 注 授课方式 理论课（√） 教学时数 12 教 学 目 的 及 要 求 1、了解自发过程的共同特征，明确热力学第二定律的意义。 2、明确从卡诺热机得出克劳修斯原理和熵函数的逻辑性，从而 理解克劳修斯不等式的重要性与熵函数的概念。 3、熟记并理解 S、A、G 的定义与各热力学函数间的关系。 4、明确利用热力学函数在特定条件下作为过程方向和限度的判 据，熟练 Δ S 和 Δ G 的计算与应用。 5、了解熵的统计意义和热力学第三定律、规定熵的意义、计算 及应用。 6、初步了解不可逆过程热力学关于熵流和熵产生等基本内容。 教学内容提要 时间分配
3.1 一切自发过程的共同特征 0.5学时 3.2 热力学第二定律 0.5学时 3.3 Carnot定理 1.0学时 3.4 熵的概念 1.0学时 3.5 Clausius不等式与熵增加原理 0.5学时 3.6热力学基本方程与T-S图 0.5学时 3.7 熵变的计算 1.0学时 3.8熵与能量退化 0.5学时 3.9热力学第二定律的本质和熵的统计意义 0.5学时 3.10 Helmholtz自由能和Gibbs自由能 1.0学时 3.11过程的方向和平衡条件 1.0学时 3.12△G的计算示例 2.0学时 3.13几个热力学函数间的关系 1.5学时 3.14热力学第三定律&规定熵 0.5学时 3.15不可逆过程简介 【重点】 1、熵函数的引入、物理意义、熵判据的适用条件及应用。 2、吉布斯自由能的求算及用△G判断过程方向的方法。 重点 3、热力学基本函数H、U、A、G间的关系式和基本公式。 难点 【难点】1、熵的物理意义及熵增加原理。 2、用△S、△A、△G判断过程方向及平衡的条件。 3、公式的适用条件。 -3-
- 3 - 3.1 一切自发过程的共同特征 3.2 热力学第二定律 3.3 Carnot 定理 3.4 熵的概念 3.5 Clausius 不等式与熵增加原理 3.6 热力学基本方程与 T-S 图 3.7 熵变的计算 3.8 熵与“能量退化” 3.9 热力学第二定律的本质和熵的统计意义 3.10 Helmholtz 自由能和 Gibbs 自由能 3.11 过程的方向和平衡条件 3.12 ΔG 的计算示例 3.13 几个热力学函数间的关系 3.14 热力学第三定律＆规定熵 3.15 不可逆过程简介 0.5 学时 0.5 学时 1.0 学时 1.0 学时 0.5 学时 0.5 学时 1.0 学时 0.5 学时 0.5 学时 1.0 学时 1.0 学时 2.0 学时 1.5 学时 0.5 学时 重 点 难 点 【重 点】 1、熵函数的引入、物理意义、熵判据的适用条件及应用。 2、吉布斯自由能的求算及用∆G 判断过程方向的方法。 3、热力学基本函数 H、U、A、G 间的关系式和基本公式。 【难 点】1、熵的物理意义及熵增加原理。 2、用∆S、∆A、∆G 判断过程方向及平衡的条件。 3、公式的适用条件
讨论 【讨论题目】是否一切熵增加过程都是自发的？ 思考 【思考题目】可逆过程有什么特征？怎样判断一个过程是否可逆 作业 【练习作业】习题：1、3、4、6、8、10、11、13、14、16、17、 19、20、22、25、26、28 教学手段 课堂讲授 第三章 热力学第二定律课程设计 第一讲（2学时) 【教学目标】 1、了解自然界实际过程的特征及不可逆过程的共同特征。 2、了解热力学第二定律的提出及如何进行理论创新，熟悉热力学第二定律的文字表述。 3、熟悉Carnot原理，了解Carnot的贡献。 4、通过“热死理”批判，对学生真理相对性及辨证唯物主义的教育。 【教学内容与时间分配】 3-1、自发变化过程的共同特征一不可逆性(0.5学时) 3-2、热力学第二定律(0.5学时) 3-3、Carnot定理（1.0学时) 【本讲重点】 l、Carnot原理 2、熵（变）的定义 3、热力学第二定律数学式(Clausius不等式) 【本讲难点】 1、第二定律的文字 2、熵概念的引入 【教学方式】 启发式+讲授+讨论+多媒体 -4-
- 4 - 讨 论 思 考 作 业 【讨论题目】是否一切熵增加过程都是自发的？ 【思考题目】可逆过程有什么特征？怎样判断一个过程是否可逆？ 【练习作业】习题：1、3、4、6、8、10、11、13、14、16、17、 19、20、22、25、26、28 教学手段 课堂讲授 第三章 热力学第二定律课程设计 第一讲（2 学时） 【教学目标】 1、了解自然界实际过程的特征及不可逆过程的共同特征。 2、了解热力学第二定律的提出及如何进行理论创新，熟悉热力学第二定律的文字表述。 3、熟悉 Carnot 原理，了解 Carnot 的贡献。 4、通过 “热死理” 批判，对学生真理相对性及辨证唯物主义的教育。 【教学内容与时间分配】 3-1、自发变化过程的共同特征－不可逆性（0.5 学时） 3-2、热力学第二定律（0.5 学时） 3-3、Carnot 定理（1.0 学时） 【本讲重点】 1、Carnot 原理 2、熵（变）的定义 3、热力学第二定律数学式（Clausius 不等式） 【本讲难点】 1、第二定律的文字 2、熵概念的引入 【教学方式】 启发式 + 讲授 + 讨论 + 多媒体
【引言】热力学第二定律的任务 化学热力学要解决的主要问题： 第一、化学反应（包含相变化）的热效应（热力学第一定律）。 第二、化学反应的可能性（即方向&限度）。 热力学第一定律的本质是能量转换和守恒定律。若给定一个体系的始终态，根据热力 学第一定律就可以给出变化的△U,△H,人类的无数经验已经证实：自然界发生的一切过 程都必须满足热力学第一定律，违背热力学第一定律的过程在自然界中是进不可能发生 的，然而是否不违背热力学第一定律的过程都能进行呢？ 【实例1】在历史上曾经有人设想在远洋轮船上安装一台这样的机器它从海水中吸取热量 然后将这部分热量全部转化为功推动轮船前进这样的机器并不违反热力学第一定律但是 无数次的实验都以失败而告终了。 【实例2】在298.15K,101.325kPa条件下1molH(g)在O2(g)中燃烧生成1 molH:O(1)同时放 出热285.838kJ。那么在同样条件下将这些热加给ImoIH2O①)它是否能重新分解成ImolH(g) 和0.5olO(g)呢？这个分解过程也并不违反热力学第一定律然而实验证明它也是不可能 实现的。 【小结】上述两个问题都涉及到变化过程的方向问题，人们从长期的实践经验中发现自然 界中发生的一切变化过程在一定的环境条件下总是朝着一定的方向进行的，例如： (1)水从高处流向低处，直至水面的高度相同： (2)气体自动从高压区流向低压区，直至压力相同： (3)两个温度不同的物体接触，热自动的从高温体传向低温体，直至温度相同： (4)浓度不均匀的溶液回自动地变成浓度均匀： (5)电流总是从高电势流向地电势，直至电势相同： (6)人总是从小到老等等。 这些过程都是自动进行的，而且有一定的方向性和一定的限度，虽然这些自发过程的 逆过程若能自动回复原状也不违反热力学第一定律，但到目前为止还没有发现自动过程可 自动回复原状，也就是说违反热力学第一定律的过程一定不能发生，不违反热力学第一定 律的过程不一定能发生。那么对于给定的体系，在没有外界帮助的条件下能否自动进行或 进行到什么程度，这是一个比较重要的问题，历史上曾有人试图用第一定律中所建立的状 态函数U,H来判断过程进行的方向，比如，汤姆逊一贝塞罗认为：凡是放热反应都能 自动进行，而吸热反应都不能自动进行，经过大量的研究发现，有不少吸热反应也能自动 -5-
- 5 - 【引言】热力学第二定律的任务 化学热力学要解决的主要问题： 第一、化学反应（包含相变化）的热效应（热力学第一定律）。 第二、化学反应的可能性（即方向＆限度）。 热力学第一定律的本质是能量转换和守恒定律。若给定一个体系的始终态，根据热力 学第一定律就可以给出变化的 ΔU，ΔH，人类的无数经验已经证实：自然界发生的一切过 程都必须满足热力学第一定律，违背热力学第一定律的过程在自然界中是决不可能发生 的，然而是否不违背热力学第一定律的过程都能进行呢? 【实例 1】在历史上曾经有人设想在远洋轮船上安装一台这样的机器它从海水中吸取热量 然后将这部分热量全部转化为功推动轮船前进这样的机器并不违反热力学第一定律但是 无数次的实验都以失败而告终了。 【实例 2】在 298.15K，101.325kPa 条件下 1molH2(g)在 O2(g)中燃烧生成 1molH2O(1)同时放 出热 285.838kJ。那么在同样条件下将这些热加给 lmolH2O(l)它是否能重新分解成 lmolH2(g) 和 0.5molO2(g)呢? 这个分解过程也并不违反热力学第一定律然而实验证明它也是不可能 实现的。 【小结】上述两个问题都涉及到变化过程的方向问题，人们从长期的实践经验中发现自然 界中发生的一切变化过程在一定的环境条件下总是朝着一定的方向进行的，例如： （1）水从高处流向低处，直至水面的高度相同； （2）气体自动从高压区流向低压区，直至压力相同； （3）两个温度不同的物体接触，热自动的从高温体传向低温体，直至温度相同； （4）浓度不均匀的溶液回自动地变成浓度均匀； （5）电流总是从高电势流向地电势，直至电势相同； （6）人总是从小到老等等。 这些过程都是自动进行的，而且有一定的方向性和一定的限度，虽然这些自发过程的 逆过程若能自动回复原状也不违反热力学第一定律，但到目前为止还没有发现自动过程可 自动回复原状，也就是说违反热力学第一定律的过程一定不能发生，不违反热力学第一定 律的过程不一定能发生。那么对于给定的体系，在没有外界帮助的条件下能否自动进行或 进行到什么程度，这是一个比较重要的问题，历史上曾有人试图用第一定律中所建立的状 态函数 U，H 来判断过程进行的方向，比如，汤姆逊——贝塞罗认为：凡是放热反应都能 自动进行，而吸热反应都不能自动进行，经过大量的研究发现，有不少吸热反应也能自动