第六章化学热力学初步

第六章

化学热力学初步

1、什么是化学热力学？它有什么特点？

答：热力学是研究热能和机械能以及其他形式的能量之间的转化规律的一门科学。用热力学的理论和方法研究化学，则产生了化学热力学。可以解决化学反应中能量变化问题，同时可以解决化学反应进行的方向和限度问题。

特点：（1）是讨论大量质点的平均行为（宏观性质）不涉及少数或个别的分子，原子的微观性质，不依赖结构知识（战略问题）

。

（2）由实践经验可推出热力学三大定律，进而推理演绎出基本的函数。

（3）通常回答是什么或怎么样可能性的问题，并不回答为什么和如何实现的问题。（4）不涉及时间的概念，不能解决反应速度和反应机理的问题。（5）热力学三大定律的意义不限制于纯自然科学。

2、什么叫相、系统和环境，开放系统、封闭系统和孤立系统，广度性质和强度性质，过程与途径，状态与状态函数？

答：相：在所研究的系统中，物理状态，物理性质与化学性质完全均匀的部分。要注意的是相与组分，状态是有区别的，讨论相是处于平衡状态的物质系统。

系统：为研究的需要，被划定为研究对象的与周围的物质或空间隔离开来的物质（又叫体系或物系），

环境：体系以外，与体系有密切联系的周围部分（外界），注意：系统与环境之间有时有明显的界限

(如N 2和O 2混合气中以

O 2为开放系统，

N 2为环境。按照系统与环境之间的

关系，将系统分为三类：

广

度量：具有加和性的物理量，如质量、物质的量、长度、体积等。强度量：不具有加和性的物理量，如浓度、压强、温度、密度等。过程：系统从一个状态(始态)变为另一个状态

(终态)就说发生了一个过程。

如：恒温过程：

T 始=T 终；

恒压过程：P 始=P 终；恒容过程：V 始=V 终；可逆过程：无限接近平衡状态

系统系统与环境的关系例

开放系统既有物质交换又有能量交换活塞连续反应器.活生物体.活细胞.城市封闭系统

无物质交换有能量交换

大多数化学反应，

如在密闭容

器中的化学反应

孤立系统既无物质交换又无能量交换

理想模型，如在带盖的杜凡瓶里进行的反应

途径：体系由同一始态变为同一终态的状态变化所经历的具体方式。过程：系统发生的任何变化叫过程，着眼点是始终态。

途径包括过程，即一个途径可能有一个或多个过程，着眼点是具体方式。

从A 到B 是发生了过程。而

A 1、A 2、

B 2、B 2为途径。

状态：系统中所有物理性质和化学性质的总合，或者说一个系统的物理性质和化学性质都被确定了，则说系统处于一个状态。

状态函数：确定体系的一系列热力学状态的宏观物理量(V 、M 、P 、T 、d,)。故一个

状态函数就是体系的一种性质。

（1）系统的状态一定，每一个状态函数就有一个确定值；

（2）状态函数的改变只由体系的始态和终态确定，与途径无关；（3）系统恢复到原始状态，

状态函数也就恢复到原始确定值。总结：状态函数有特征。状态一定值一定。殊途同归变

化等，周而复始变化零。

3．什么是热和功，它们各具有什么性质？初终态确定后，在不同的过程中，Q 、W 、Q+W

是否都具有确定值？

答：热：是系统与环境之间的温度差异引起的能量传递形式；

（1）热是过程的产物与属性，是途径的函数，不是系统的性质，也不是体系的状态函数；

（2）若温度相同，就没有热传递，则称为热平衡；反推“所有不是由温度不同而引起的能量传递都不是热”。

注意热力学里的热与通常我们所说的热（指一种状态）以及热运动（指分子的无续运

动）要区别开。

功：除热运动以外的所有其他能量传递形式。在热力学里是指体系对环境所做的功。功是与过程密切相关的量，

它不是状态函数。

功在热力学上又可分为气体膨胀功

(压缩

A 1×105

Pa 2×10-3

m

3

5×104

Pa 4×10-3

m

3

B 2×105

Pa 1×10-3

m

3

4×105

Pa 5×10-4

m

3

B 1

A 1

A 2

B 2

功、非有用功)和其它功（有用功），功和热不是状态函数，不能谈体系在某种状态下具有

多少功或具有多少热量，功和热只有在能量交换时才有具体的数值，且随着途径的不同功

和热的数值都变化。同一过程中若途径不同，体系所做的功以及体系所吸收的热都不同。

但同一过程中若途径不同，Q+W仍有确定值，因为Q+W=△u，△u是状态函数，它的值

只于初终态有关，而与途径无关。

4．什么是热力学能，它有什么性质？什么是热力学第一定律?

答：热力学能：过去长期叫内能，符号是U，现指系统内各种形式的能量的总和。如：系

统中分子的动能，分子内电子运动的能量，分子间作用能等。

热力学能的性质：

（1）任何系统在一定状态下，热力学能是一定的，其绝对值不知道，只能求出热力学

能的变化量；

（2）△U≡U终态-U始态，只要终态和始态一定，热力学能的变化量是一定的，与变

化的途径无关，故U是状态函数；

（3）热力学能U是一种广度性质，有加和性，与体系的物质的量成正比。

热力学第一定律：体系由状态Ⅰ变化到Ⅱ，在这一过程中能量既不可能无缘无故地消

失，也不可能无缘无故产生，只会从一种形式转变到另一种形式，即体系能量守恒。

根据能量守恒定律：U2＝U1+Q-W

体系热力学能的改变量：△U体系＝Q-W

即热力学能第一定律的表达式：△U环境＝-△U体系

5、为什么理想过程所作的体积功值最大？

答：系统的气体膨胀时，膨胀的次数越多，其经历的平衡状态就相应地增多。每次膨胀使

过程发生的动力是无限小的，所需的时间是无限长的，故过程中体系无限多次达到平衡，

假设将一活塞上堆放无限的沙粒，一粒一粒取走这些沙粒，而后，又从过程的终态出发，

将这些无限多的沙粒又一粒一粒放回活塞上，在无限长的时间内，体系无限多次的重复膨

胀过程中的无限多次平衡状态，在这一过程中，体系的状态的点完全一致，即均在PV=nRT 曲线上，而其它的膨胀方式中体系状态的点不一致。即只有少数的点在PV=nRT曲线上。

外压膨胀方式膨胀功

P = P终一次等压膨胀W= -P△V

P = 0 自由膨胀W = 0

P1，P2,P j = P终多次等压膨胀W= －(

i j

pi△V i)

状态ⅡU2

状态ⅠU1

向体系输入热Q体系做功W

使体系的内能增加