工程化学教案 第一章 工程化学教案一第一章热力学 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 1
工程化学教案 第一章 • • 1 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） 一. 学习目的和要求 1.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)。 2.掌握热力学第一定律（热力学能、热和功、热力学第一定律、烙和热化学方程式、 盖斯定律、键培与反应焓)。 3.了解能源。 4.掌握标准平衡常数的表达式、意义、应用。 5。掌握化学平衡移动的规律。 6.掌握熵、熵变和绝对熵的概念、意义。 7.掌握化学反应的标准摩尔吉布斯函数的引入和△Gm(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K的意义及其与△Gm(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△Gm(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K的意义及其与△Gm(T)的关系：：化学反应的标准 摩尔吉布斯自由能函数变△Gm(T)的近似计算：用△Gm(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)。 2
• • 2 第一章 热力学（讲授时数: 14 学时） 一． 学习目的和要求 1． 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）。 2． 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）。 3． 了解能源。 4. 掌握标准平衡常数的表达式、意义、应用。 5. 掌握化学平衡移动的规律。 6. 掌握熵、熵变和绝对熵的概念、意义。 7. 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）
工程化学教案 第一章 热力学第一定律（热力学能、热和功、热力学第一定律）(2学时) 烩和热化学方程式、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△Gm(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K的意义及其与△Gm(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)散开系统一一系统与环境之间，既有物质传递又有能量交换。 (2)封闭系统一一系统与环境之间，没有物质传递而只有能量交换。 (3)隔离系统（孤立系统）一一系统与环境之间，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。 3
工程化学教案 第一章 • • 3 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 式表示出米，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=RT,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： (1)状态一经固定，其状态函数有一定的数值。换言之，状态函数是状态的单值函数。 (2)状态发生变化时，其状态函数的改变只由始态及终态决定，而与途径无关。 系统的P、V、T组成、质量及密度等宏观性质.都属于热力学性质。根据其与系统 中物质的量的关系，可将它分为两类： (1)广延性质（或称容量性质）一一其数值与系统中物质的量成正比。例如，体积、 质量、嫡、内能等。此种性质具有加和性，即整个系统的某种广延性质是系统中各部分 广延性质的总和。 (2)强度性质一一其数值与系统中所含物质的量无关，它没有加和性。例如，温 度、压力、密度、粘度等。 系统的某种广延性质除以物质的量之后就成为强度性质。例如，热容、体积、熵是广延 性质，而摩尔热容、摩尔体积、摩尔熵就是强度性质。 三、过程 4
• • 4 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； （1）状态一经固定，其状态函数有一定的数值。换言之，状态函数是状态的单值函数。 （2）状态发生变化时，其状态函数的改变只由始态及终态决定，而与途径无关。 系统的 P、v、T 组成、质量及密度等宏观性质．都属于热力学性质。根据其与系统 中物质的量的关系，可将它分为两类： （1）广延性质(或称容量性质)——其数值与系统中物质的量成正比。例如，体积、 质量、嫡、内能等。此种性质具有加和性，即整个系统的某种广延性质是系统中各部分 广延性质的总和。 （2）强度性质——其数值与系统中所含物质的量无关，它没有加和性。例如，温 度、压力、密度、粘度等。 系统的某种广延性质除以物质的量之后就成为强度性质。例如，热容、体积、熵是广延 性质，而摩尔热容、摩尔体积、摩尔熵就是强度性质。 三、 过程
工程化学教案 第一意 系统由一个状态变化到另一个状态，我们就说它经历了一个过程，变化的具体方式常称 为途径。例如一杯水由10℃升温到50℃。可以用一个500℃的热源将其加热：也可以先 将水蒸发，然后将水蒸汽升温，而后再冷凝成液态水：还可以用高速搅拌的方式使水温 升高。这便是实现同一个状态变化的三种不同途径，也常叫做不同过程。 通过比较系统变化前后的状态差异，可把常见的过程分成三类： (1)简单物理过程：系统的化学组成及聚集状态不变，只发生T,P、V等参量的改 变。 (②)复杂物理过程：这类过程包括相变和混合等。一般说来，这类过程从对系统的 描述到过程本身都较上面一种物理过程复杂。 (3)化学过程：即化学反应。 如果依照过程本身的特点，过程可能有多种多样。下面几种典型过程在热力学中常 常用到： (1)等温过程：环境温度恒定不变的情况下，系统初态和末态温度相同且等于环境温 度的过程，即T1=2=T外=常数。其中T1、T2、T外分别代表系统初态温度、末态温 度和环境温度。 所谓等温过程，是指式中三个等号同时成立的过程。有人认为等温过程是系统温度 始终不变的过程，这是一种误解。诚然，在某一过程中如果系统温度始终保持不变，该 过程必是等温过程，因为该过程满足式)要求。但这并非等温过程的全部，这只不过是 等温过程的一种特殊情况。例如，在室温条件下，某容器中发生爆炸反应，瞬间内其温 度为700爪，但最终恢复到室温。这是一个等温过程，但并不是温度始终不变。 (2)等压过程：外压（即环境压力）恒定不变的情况下，系统初态和末态的压力相同 且等于外压的过程，即P1=P2=P外=常数。其中P1,P2和P外分别代表系统初态压 力、末态压力和环境压力。 所谓等压过程是指式中三个等号同时成立的过程。有人把等压过程说成是系统压力 始终不变的过程。这同样是一种不全面的理解，因为这只是等压过程的一种特殊情况。 需要说明的是，在热力学中会遇到P1=P2的过程，称为初末态压力的相等的过程，还 会遇到P外一常数的过程，称为等外压过程，但它们都不可与等压过程相提并论
工程化学教案 第一章 • • 5 系统由一个状态变化到另一个状态，我们就说它经历了一个过程，变化的具体方式常称 为途径。例如一杯水由 l0℃升温到 50℃。可以用一个 500℃的热源将其加热；也可以先 将水蒸发，然后将水蒸汽升温，而后再冷凝成液态水；还可以用高速搅拌的方式使水温 升高。这便是实现同一个状态变化的三种不同途径，也常叫做不同过程。 通过比较系统变化前后的状态差异，可把常见的过程分成三类： (1)简单物理过程：系统的化学组成及聚集状态不变，只发生 T，P、V 等参量的改 变。 (2)复杂物理过程：这类过程包括相变和混合等。一般说来，这类过程从对系统的 描述到过程本身都较上面一种物理过程复杂。 (3)化学过程：即化学反应。 如果依照过程本身的特点，过程可能有多种多样。下面几种典型过程在热力学中常 常用到： (1)等温过程：环境温度恒定不变的情况下，系统初态和末态温度相同且等于环境温 度的过程，即 T1＝T2＝T 外＝常数。其中 T1、T2、T 外分别代表系统初态温度、末态温 度和环境温度。 所谓等温过程，是指式中三个等号同时成立的过程。有人认为等温过程是系统温度 始终不变的过程，这是一种误解。诚然，在某一过程中如果系统温度始终保持不变，该 过程必是等温过程，因为该过程满足式)要求。但这并非等温过程的全部，这只不过是 等温过程的一种特殊情况。例如，在室温条件下，某容器中发生爆炸反应，瞬间内其温 度为 700K，但最终恢复到室温。这是一个等温过程，但并不是温度始终不变。 (2)等压过程；外压(即环境压力)恒定不变的情况下，系统初态和末态的压力相同 且等于外压的过程，即 P1＝P2＝P 外＝常数。其中 P1，P2 和 P 外分别代表系统初态压 力、末态压力和环境压力。 所谓等压过程是指式中三个等号同时成立的过程。有人把等压过程说成是系统压力 始终不变的过程。这同样是一种不全面的理解，因为这只是等压过程的一种特殊情况。 需要说明的是，在热力学中会遇到 P1＝P2 的过程，称为初末态压力的相等的过程，还 会遇到 P 外＝常数的过程，称为等外压过程，但它们都不可与等压过程相提并论