化学反应中的能量
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第1章
化学反应中的能量
第一讲 热力学第一定律与化学反应热效应
第一节 基本概念
1. 系统与环境 系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。 环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质
和 空间。
注意系统和环境的边界可以是 真实存在的,也可以是假想的数 学界面.
类型
封闭系统(closed system) 孤立系统(isolated system) 敞开系统(open system)
P始,V
始
T
一粒粒取走砂粒
(剩余砂粒相当
前述一个重物)
P
终
P终,V
终
T
准静态过程
{p e}
∫ ∫ V终
V终
W = pedV = pdV
p始
V始
V始
系统作功(W)最大。系统和环
境能够由终态，沿着原来
p终 V始
的途径从相反方向步 步回复，直到
定T 都恢复原来 V终 {V} 的状态。
广度因素的改变
机械功
f（力）
dl(位移的改变)
电功
E（外加电位差）
dQ(通过的电量)
反抗地心 mg（m为质量，g为重
引力的功
力加速度）
dh(高度的改变)
体积功
p（外压）
dV(体积的改变)
表面功
γ（表面张力）
dA(面积的改变)
功的表示式 f dl E dQ
mg dh p dV γ dA
体积功
由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为 体积功，用W体表示。所有其它的功统称为非体积 功(或有用功), 用 W′表示
外压从3pº变为p°
3pº
V T
图1.2 状态函数的性质
容量性质和强度性质
状态函数可分为两类： 容量性质(也叫广度性质)：其量值具有加和性， 如体积、质量。
强度性质：其量值不具有加和性，如温度、压力 等。
一种广度性质 ＝强度性质， 另一种广度性质
如Vm＝Vn
，b＝
m V
等
4. 过程与途径
系统状态发生任何的变化称为过程； 实现一个过程的具体步骤称途径。
3. 状态与状态函数 状态就是系统一切性质的总和。 用于表示系统宏观性质的物理量X 称为状态函数，如气 体的压力p、体积V、温度T 等。
气体 真空 气体向真空膨胀 （自由膨胀）
状态函数的性质 状态函数是状态的单值函数。 当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统 的始、末态有关，而与变化的实际途径无关。 状态函数的组合依然是状态函数.
思考：1) 101.325kPa，273.15K(0°C)下，H2O(l), H2O(g) 和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少。 2) CaCO3(s)分解为CaO (s)和CO2(g)并达到平衡的系统中 的相数。 答：1）在此条件下，存在3相（气、液、固各一相；2）3 相（气体1相，固体2相）
可逆过程
定义：系统经过某一过程，由状态Ⅰ变到状态Ⅱ之后，如 果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称 为可逆过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过 程（准静态过程）。反之，如果用任何方法都不可能使体系
和环境完全复原，则称为不可逆过程。
p
始
微观动能：分子运动的平动能、转动能、振动能等。 微观势能：分子间的相互作用力，电子与核之间相
互作用等
热力学能的特征： 状态函数 无绝对数值(因无法测定) 容量性质
状态1
状态2
U1
U2
U＝ U2－U1
2. 热 在物理或化学变化的过程中，系统与环境存
在温度差而交换的能量称为热。用符号Q 表 示（单位：J）
思考：过程与途径的区别。 设想如果你要把20 °C的水烧开，要完成“水烧开”这个 过程，你可以有多种具体的“途径”：如可以在水壶中常 压烧；也可以在高压锅中加压烧开再降至常压。
常见的变化过程有：
恒温过程：在环境温度恒定下，T1 = T2 ＝Te 的过程。 恒压过程：在环境压力恒定下， p1＝p2＝pe 的过程。 恒容过程：变化过程中体积保持恒定。 绝热过程： Q＝0 仅可能有功的能量传递形式。 循环过程：循环过程 中所有状态函数改变量为零, 如 p＝0，T＝0，V＝0。 可逆过程：
第二节 热力学第一定律
一、热力学第一定律的表述和数学表达式
1. 表述：能量守恒与转化定律定律 2. 数学表达式
U =U2－U1 = Q + W
物理意义：在封闭系统中，状态发生变化时，系统的热力 学能的变化等于系统从环境中吸收的热量加上环境对系统 所做的功。
Baidu Nhomakorabea
二、热力学能、功和热
1. 热力学能 热力学能又称内能，是指系统内部各种微观形式 能量的总和 ，用U表示。 （单位：J） 包括：包括微观动能和微观势能
W体= – p外ΔV= – p 外(V2 – V1)
体积功是系统反抗外压力而改变体积时， 系统对环 境做的功。无论体积是压缩还是膨胀，体积功都等
于-p外ΔV
第三节 焓 一、 恒容热
在恒容且不做非体积功的条件下，系统与环境交换的 热量称为恒容热。
ΔU=QV+W
体系与环境 能量的传递
之间 （以功和热的形
物质的质量
式）
传递
无
有
无
无
有
有
敞开系统 有物质和能量交换
封闭系统 只有能量交换
孤立系统 无物质和能量交换
2. 相
系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分 称为相。根据相的概念，系统可分为：
单相（均匀）系统 多相（不均匀）系统
相与相之间有明确的界面。
规定：Q ＞0 体系从环境吸热， Q ＜0 体系向环境放热。
热量Q不是状态函数
3. 功与体积功
在物理或化学变化的过程中，系统与环境除热以 外的方式交换的能量都称为功。用符号W 表示。 （单位：J）
规定：W ＞0 环境对体系作功 W ＜0 体系对环境作功
功W 也不是状态函数
功的种类
强度因素
W = W体+ W′
思考：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2) 钢瓶中；将 理想气体的温度提高20ºC时，是否做了体积功？
答：1)做体积功，2)未做体积功。
4. 体积功W体的计算
W体= F ·l = (p外·A) ·l = p外 Δ V
考虑功的正负号定义
l
p p外 = F / A
图1.4 体积功示意图
化学反应中的能量
第一讲 热力学第一定律与化学反应热效应
第一节 基本概念
1. 系统与环境 系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。 环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质
和 空间。
注意系统和环境的边界可以是 真实存在的,也可以是假想的数 学界面.
类型
封闭系统(closed system) 孤立系统(isolated system) 敞开系统(open system)
P始,V
始
T
一粒粒取走砂粒
(剩余砂粒相当
前述一个重物)
P
终
P终,V
终
T
准静态过程
{p e}
∫ ∫ V终
V终
W = pedV = pdV
p始
V始
V始
系统作功(W)最大。系统和环
境能够由终态，沿着原来
p终 V始
的途径从相反方向步 步回复，直到
定T 都恢复原来 V终 {V} 的状态。
广度因素的改变
机械功
f（力）
dl(位移的改变)
电功
E（外加电位差）
dQ(通过的电量)
反抗地心 mg（m为质量，g为重
引力的功
力加速度）
dh(高度的改变)
体积功
p（外压）
dV(体积的改变)
表面功
γ（表面张力）
dA(面积的改变)
功的表示式 f dl E dQ
mg dh p dV γ dA
体积功
由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为 体积功，用W体表示。所有其它的功统称为非体积 功(或有用功), 用 W′表示
外压从3pº变为p°
3pº
V T
图1.2 状态函数的性质
容量性质和强度性质
状态函数可分为两类： 容量性质(也叫广度性质)：其量值具有加和性， 如体积、质量。
强度性质：其量值不具有加和性，如温度、压力 等。
一种广度性质 ＝强度性质， 另一种广度性质
如Vm＝Vn
，b＝
m V
等
4. 过程与途径
系统状态发生任何的变化称为过程； 实现一个过程的具体步骤称途径。
3. 状态与状态函数 状态就是系统一切性质的总和。 用于表示系统宏观性质的物理量X 称为状态函数，如气 体的压力p、体积V、温度T 等。
气体 真空 气体向真空膨胀 （自由膨胀）
状态函数的性质 状态函数是状态的单值函数。 当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统 的始、末态有关，而与变化的实际途径无关。 状态函数的组合依然是状态函数.
思考：1) 101.325kPa，273.15K(0°C)下，H2O(l), H2O(g) 和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少。 2) CaCO3(s)分解为CaO (s)和CO2(g)并达到平衡的系统中 的相数。 答：1）在此条件下，存在3相（气、液、固各一相；2）3 相（气体1相，固体2相）
可逆过程
定义：系统经过某一过程，由状态Ⅰ变到状态Ⅱ之后，如 果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称 为可逆过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过 程（准静态过程）。反之，如果用任何方法都不可能使体系
和环境完全复原，则称为不可逆过程。
p
始
微观动能：分子运动的平动能、转动能、振动能等。 微观势能：分子间的相互作用力，电子与核之间相
互作用等
热力学能的特征： 状态函数 无绝对数值(因无法测定) 容量性质
状态1
状态2
U1
U2
U＝ U2－U1
2. 热 在物理或化学变化的过程中，系统与环境存
在温度差而交换的能量称为热。用符号Q 表 示（单位：J）
思考：过程与途径的区别。 设想如果你要把20 °C的水烧开，要完成“水烧开”这个 过程，你可以有多种具体的“途径”：如可以在水壶中常 压烧；也可以在高压锅中加压烧开再降至常压。
常见的变化过程有：
恒温过程：在环境温度恒定下，T1 = T2 ＝Te 的过程。 恒压过程：在环境压力恒定下， p1＝p2＝pe 的过程。 恒容过程：变化过程中体积保持恒定。 绝热过程： Q＝0 仅可能有功的能量传递形式。 循环过程：循环过程 中所有状态函数改变量为零, 如 p＝0，T＝0，V＝0。 可逆过程：
第二节 热力学第一定律
一、热力学第一定律的表述和数学表达式
1. 表述：能量守恒与转化定律定律 2. 数学表达式
U =U2－U1 = Q + W
物理意义：在封闭系统中，状态发生变化时，系统的热力 学能的变化等于系统从环境中吸收的热量加上环境对系统 所做的功。
Baidu Nhomakorabea
二、热力学能、功和热
1. 热力学能 热力学能又称内能，是指系统内部各种微观形式 能量的总和 ，用U表示。 （单位：J） 包括：包括微观动能和微观势能
W体= – p外ΔV= – p 外(V2 – V1)
体积功是系统反抗外压力而改变体积时， 系统对环 境做的功。无论体积是压缩还是膨胀，体积功都等
于-p外ΔV
第三节 焓 一、 恒容热
在恒容且不做非体积功的条件下，系统与环境交换的 热量称为恒容热。
ΔU=QV+W
体系与环境 能量的传递
之间 （以功和热的形
物质的质量
式）
传递
无
有
无
无
有
有
敞开系统 有物质和能量交换
封闭系统 只有能量交换
孤立系统 无物质和能量交换
2. 相
系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分 称为相。根据相的概念，系统可分为：
单相（均匀）系统 多相（不均匀）系统
相与相之间有明确的界面。
规定：Q ＞0 体系从环境吸热， Q ＜0 体系向环境放热。
热量Q不是状态函数
3. 功与体积功
在物理或化学变化的过程中，系统与环境除热以 外的方式交换的能量都称为功。用符号W 表示。 （单位：J）
规定：W ＞0 环境对体系作功 W ＜0 体系对环境作功
功W 也不是状态函数
功的种类
强度因素
W = W体+ W′
思考：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2) 钢瓶中；将 理想气体的温度提高20ºC时，是否做了体积功？
答：1)做体积功，2)未做体积功。
4. 体积功W体的计算
W体= F ·l = (p外·A) ·l = p外 Δ V
考虑功的正负号定义
l
p p外 = F / A
图1.4 体积功示意图