熱力學(xué)基本原理

關(guān)于熱力學(xué)基本原理第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)第二定律目的：解決過程的方向和限度問題數(shù)學(xué)式特定過程恒容過程：恒壓過程：熱力學(xué)基本方程派生公式麥克斯韋關(guān)系式吉~亥方程熱力學(xué)狀態(tài)方程演繹推導(dǎo)應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用熱力學(xué)第二定律熵判據(jù)，適用于任何過程熵增原理，適用于絕熱過程和孤立體系第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月ΔS單純PVT環(huán)境熵變凝聚態(tài)變溫理想氣體相變過程化學(xué)反應(yīng)1.10熵變的計算第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月pV絕熱T2’<T2T1T2=T1恒溫

理想氣體U=f(T)H=f(T)恒溫可逆過程絕熱可逆過程1.10熵變的計算第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月理想氣體的卡諾循環(huán)的p~V圖：1.10熵變的計算理想氣體的卡諾循環(huán)的T~S圖：ST△T=0△T=0△S=0△S=0第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月絕熱可逆1.10熵變的計算=0第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算相變化過程熵變的計算在100℃、1atm下，1mol水蒸發(fā)成等溫等壓下的水蒸氣在25℃、1atm下，1mol水蒸發(fā)成等溫等壓下的水蒸氣在100℃、2atm下，1mol水蒸發(fā)成等溫等壓下的水蒸氣在25℃、3176Pa下，1mol水蒸發(fā)成等溫等壓下的水蒸氣在100℃、1atm下，1mol水蒸發(fā)向真空蒸發(fā)成等溫等壓下的水蒸氣始終態(tài)相同熵變相同第7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算100℃、1atm下，1mol水蒸發(fā)向真空蒸發(fā)成等溫等壓下的水蒸氣100℃、1atm，液態(tài)100℃、1atm，氣態(tài)向真空蒸發(fā)△S不可逆△S可逆第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算100℃、1atm下的1mol水可逆蒸發(fā)成100℃、1atm下的水蒸氣100℃、1atm，液態(tài)100℃、1atm，氣態(tài)可逆恒溫恒壓水活塞1atmQT=100℃1atmQT=100℃水蒸氣第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月100℃、1atm，液態(tài)100℃、1atm，氣態(tài)向真空蒸發(fā)不可逆非恒壓100℃、1atm下的1mol水真空蒸發(fā)成100℃、1atm下的水蒸氣水活塞QT=100℃QT=100℃水蒸氣真空1.10熵變的計算第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算25℃、1atm下，1mol水蒸發(fā)成等溫等壓下的水蒸氣25℃、1atm，液態(tài)25℃、1atm，氣態(tài)△S不可逆100℃、1atm，液態(tài)100℃、1atm，氣態(tài)△S可逆△S液態(tài)△S氣態(tài)第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算25℃、1atm下，1mol水蒸發(fā)成等溫等壓下的水蒸氣25℃、1atm，液態(tài)25℃、1atm，氣態(tài)△H不可逆100℃、1atm，液態(tài)100℃、1atm，氣態(tài)△H可逆△H液態(tài)△H氣態(tài)第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算在25℃、1atm下，1mol水蒸發(fā)成等溫等壓下的水蒸氣25℃、1atm，液態(tài)25℃、1atm，氣態(tài)△H不可逆△S不可逆100℃、1atm，液態(tài)100℃、1atm，氣態(tài)△H可逆△S可逆△H液態(tài)△H氣態(tài)25℃、1atm下，1mol水蒸發(fā)成等溫等壓下的水蒸氣過程不存在。第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算100℃、1atm下，1mol水蒸發(fā)向真空蒸發(fā)成等溫等壓下的水蒸氣100℃、1atm，液態(tài)100℃、1atm，氣態(tài)向真空蒸發(fā)△S不可逆△S可逆該過程存在且自發(fā)第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算【例1-13】-10℃、100kPa下，1mol水等溫凝結(jié)成等溫等壓下的冰-10℃,100kPa,液-10℃,100kPa,固△S不可逆0℃,100kPa,液0℃,100kPa,固△S可逆△S液△S固第15頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算△S1△S5△S2△S4-10℃,P*l,液-10℃,P*s,固△S不可逆-10℃,100kPa,液-10℃,100kPa,固-10℃,P*g,氣-10℃,P*s,氣△S3可逆相變可逆相變pVT變化pVT變化pVT變化第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月ΔS單純PVT環(huán)境熵變凝聚態(tài)變溫理想氣體相變過程可逆相變不可逆相變化學(xué)反應(yīng)1.10熵變的計算S=SpVT+S可逆相變+SpVT’第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算1.10.3熱力學(xué)第三定律和化學(xué)反應(yīng)的熵變1.10.3.1熱力學(xué)第三定律能斯特?zé)岫ɡ恚?906年，德國化學(xué)家Nernst經(jīng)過系統(tǒng)地研究了低溫下凝聚體系的反應(yīng)，提出了一個假定，即：凝聚系統(tǒng)在恒溫化學(xué)反應(yīng)過程中熵變隨溫度趨于0K而趨于零。用公式表示為：

或：rS(0K)=0例如：2H2(S，0K)＋O2(S，0K)

＝2H2O(S，0K)rSm(0K)＝0第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算熱力學(xué)第三定律普朗克（MPlank）假定（1912-1920年）：

在0K

時純物質(zhì)

完美晶體的熵等于零。

即：S*m(完美晶體,0K)＝0第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算規(guī)定熵和標準熵根據(jù)絕對零度時，物質(zhì)的完美晶體的熵值為零的規(guī)定，求得該物質(zhì)在其它狀態(tài)下的熵值稱為該物質(zhì)在該狀態(tài)下的規(guī)定熵。標準態(tài)下的規(guī)定熵稱為標準熵。表示為S，1mol某物質(zhì)的標準熵為該物質(zhì)的標準摩爾熵，表示為Sm。

一般物理化學(xué)手冊上有298.2K的標準熵。第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算規(guī)定熵的求法：0K(s)→10K→

Tf(s)→Tf(l)→Tb(l)→Tb(g)→T(g)可逆過程第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算1.10.3.2.標準摩爾反應(yīng)熵的計算在標準壓力下，298.15K時，各物質(zhì)的標準摩爾熵值有表可查。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)計量方程，可以計算反應(yīng)進度為1mol時的熵變值。第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算例題九九第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算標準摩爾反應(yīng)熵隨溫度的變化在標準壓力下，已知298.15K時的標準反應(yīng)熵變值（從查表求得），

求反應(yīng)溫度T時的熵變值。第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10熵變的計算第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月熵的計算單純PVT相變過程化學(xué)反應(yīng)環(huán)境熵變凝聚態(tài)變溫理想氣體可逆相變不可逆相變S=SpVT+S可逆相變+SpVT’常溫任意溫度1.10熵變的計算第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)第二定律目的：解決過程的方向和限度問題數(shù)學(xué)式特定過程恒容過程：恒壓過程：熱力學(xué)基本方程派生公式麥克斯韋關(guān)系式吉~亥方程熱力學(xué)狀態(tài)方程演繹推導(dǎo)應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用熵判據(jù)，適用于任何過程熵增原理，適用于絕熱過程和孤立體系熵S熱力學(xué)第三定律熵的計算S*m(完美晶體,0K)＝01.11過程方向和限度的判據(jù)A和G的計算第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)為什么要定義新函數(shù)熱力學(xué)第一定律導(dǎo)出了熱力學(xué)能這個狀態(tài)函數(shù)，為了處理熱化學(xué)中的問題，又定義了焓。熱力學(xué)第二定律導(dǎo)出了熵這個狀態(tài)函數(shù)，但用熵作為判據(jù)時，體系必須是孤立體系，也就是說必須同時考慮體系和環(huán)境的熵變，這很不方便。通常反應(yīng)總是在等溫、等壓或等溫、等容條件下進行，有必要引入新的熱力學(xué)函數(shù)，利用體系自身狀態(tài)函數(shù)的變化，來判斷自發(fā)變化的方向和限度。第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)

dS隔離=dS系統(tǒng)+dS環(huán)境≥0(>不可逆，=可逆）對于恒溫恒容及不作其他功過程：W體積=0，W’=0Q系統(tǒng)=dU–W體積–W’=dU

dS環(huán)境=Q環(huán)境/T環(huán)境=–

Q系統(tǒng)/T=–dU/TdS隔離=dS系統(tǒng)–dU/T

≥0d(U–TS)

≤0

(<自發(fā)，=平衡）定義：A=U

–TS

dAT,V，W’=0

≤0(<自發(fā)，=平衡）或AT,V，W’=0

≤0(<自發(fā)，=平衡）此式稱為亥姆霍茲函數(shù)判據(jù)。1.11.1亥姆霍茲函數(shù)第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)亥姆霍茲函數(shù)判據(jù)表明：

在恒溫恒容且非體積功為零的條件下，亥姆霍茲函數(shù)減少的過程能夠自動進行，亥姆霍茲函數(shù)不變時處于平衡態(tài)，不可能發(fā)生亥姆霍茲函數(shù)增大的過程。

dAT,V,W’=0

≤0(<自發(fā)，=平衡）或AT,V,W’=0

≤0(<自發(fā)，=平衡）此式稱為亥姆霍茲函數(shù)判據(jù)。第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)

dS隔離=dS系統(tǒng)+dS環(huán)境≥0(>不可逆，=可逆）對于恒溫恒壓及不作其他功過程：W’=0Q系統(tǒng)=dH

dS環(huán)境=Q環(huán)境/T環(huán)境=–

Q系統(tǒng)/T=–dH/TdS隔離=dS系統(tǒng)–dH/T

≥0d(H–TS)

≤0

(<自發(fā)，=平衡）定義：G=H

–TS

dGT,p，W’=0

≤0(<自發(fā)，=平衡）或GT,p，W’=0

≤0(<自發(fā)，=平衡）此式稱為吉布斯函數(shù)判據(jù)。1.11.2.吉布斯函數(shù)第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)吉布斯函數(shù)判據(jù)表明：

在恒溫恒壓且非體積功為零的條件下，吉布斯函數(shù)減少的過程能夠自動進行，吉布斯函數(shù)不變時處于平衡態(tài)，不可能發(fā)生吉布斯函數(shù)增大的過程。

dGT,p,W’=0

≤0(<自發(fā)，=平衡）或GT,p,W’=0

≤0(<自發(fā)，=平衡）此式稱為吉布斯函數(shù)判據(jù)。第32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)對A判據(jù)和G判據(jù)的說明Siso=Ssys+Samb

≥0（>不可逆，=可逆）熵判據(jù)只能判斷可逆與否，不能判斷是否自發(fā)。

(2)恒溫恒壓反應(yīng)，判據(jù)變?yōu)镚T,p<W’。(3)在恒溫恒壓，W’=0下，判據(jù)變?yōu)镚T,p,W’=0<0。

GT,p,W’=0<0

過程可以進行，且不可逆，即自發(fā)GT,p,W’=0=0系統(tǒng)不發(fā)生變化，平衡態(tài)GT,p,W’=0>0不可能發(fā)生第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)標準態(tài)化學(xué)反應(yīng)：aA+bB=cC+dDA標準態(tài)B標準態(tài)C標準態(tài)D標準態(tài)如果A和B減少則方向向右；如果C和D減少則方向向左；判斷反應(yīng)方向的狀態(tài)第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)非標準態(tài)化學(xué)反應(yīng)：aA+bB=cC+dDA非標準態(tài)B非標準態(tài)C非標準態(tài)D非標準態(tài)如果A和B減少則方向向右；如果C和D減少則方向向左；判斷反應(yīng)方向的狀態(tài)第35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)1.11.3過程方向和限度的判據(jù)(1)熵判據(jù)—適用于任何體系的任何過程恒溫過程絕熱過程(2)亥姆霍茲函數(shù)判據(jù)—適用于封閉系統(tǒng)的恒溫恒容、非體積功為零的過程(3)吉布斯函數(shù)判據(jù)—適用于封閉系統(tǒng)的恒溫恒壓、非體積功為零的過程2013.9.30第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)以吉布斯函數(shù)判據(jù)為例①恒溫、恒壓、W’=0過程，一切可以發(fā)生的過程，其G一定向減小的方向進行，即ΔG<0，而ΔG>0的過程不存在。②恒溫、恒壓、W’≠0過程，ΔG>0的過程也能存在，但必須有非體積功的參與。③對于恒溫、恒壓、W’=0下的化學(xué)反應(yīng)或相變過程，當始終態(tài)的G相等時，正反方向進行的速度相等，達到平衡。平衡狀態(tài)不自發(fā)過程第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)恒溫過程絕熱過程隔離系統(tǒng)熵增原理最大功原理最大有用功原理亥姆霍茲函數(shù)判據(jù)吉布斯函數(shù)判據(jù)熵判據(jù)第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)第二定律目的：解決過程的方向和限度問題數(shù)學(xué)式特定過程恒容過程：恒壓過程：熱力學(xué)基本方程派生公式麥克斯韋關(guān)系式吉~亥方程熱力學(xué)狀態(tài)方程演繹推導(dǎo)應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用熵判據(jù)，適用于任何過程熵增原理，適用于絕熱過程和孤立體系熵S熱力學(xué)第三定律熵的計算S*m(完美晶體,0K)＝01.11過程方向和限度的判據(jù)A和G的計算第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月G的計算單純PVT相變過程化學(xué)反應(yīng)凝聚態(tài)等溫變壓過程理想氣體等溫變壓過程可逆相變不可逆相變常溫反應(yīng)任意溫度1.11過程方向和限度的判據(jù)常溫非標準態(tài)常溫標準態(tài)任意溫度非標準態(tài)任意溫度標準態(tài)第40頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11.4.化學(xué)反應(yīng)的G的計算（恒溫化學(xué)反應(yīng)）化學(xué)變化：按照定義rG?m=r(H?m–

TS?m)=rH?m–

r(TS?m)

恒溫rG?m=rH?m–

TrS?m

用rG?m

表示標準摩爾反應(yīng)吉布斯函數(shù)：各反應(yīng)組分都處于標準態(tài)下的摩爾反應(yīng)吉布斯函數(shù)，也稱為標準摩爾吉布斯函數(shù)變。1.11過程方向和限度的判據(jù)第41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)25℃下的fG?m可由附錄中查出，由此可計算出25℃下的rG?m。（1）用標準摩爾生成吉布斯函數(shù)計算298.15K的rG?m：

標準摩爾生成吉布斯函數(shù)：在標準狀態(tài)下，由熱力學(xué)穩(wěn)定單質(zhì)生成一摩爾某化合物的吉布斯函數(shù)的變化，用fG?m表示：（2）用rH?m與rS?m計算298.15K的rG?m：

rG?m(298.15K)

=rH?m(298.15K)

–

298.15

×rS?m(298.15K)

第42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)（3）計算TK的rG?m：

rG?m(T)

=rH?m(T)

–

T

×rS?m(T)

rG?m(T)=

rH?m(298.15K)

–

T

×rS?m(298.15K)

第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.11過程方向和限度的判據(jù)物質(zhì)的標準熱力學(xué)函數(shù)（298.15K,100MPa）物質(zhì)

ab×103b×106C(石)005.6948.6617.154.27298~2300C(金)1.8962.8662.4396.079.1213.22298~1200H2O,g-241.82-228.58188.82333.57130.1211.3H2O,l-285.84-237.1469.94075.296H2O,s-291.85-234.0339.4利用表中數(shù)據(jù)可直接計算25℃時反應(yīng)的ΔrHm°，ΔrSm°，ΔrGm°1.11.5利用手冊數(shù)據(jù)標準摩爾反應(yīng)熱力學(xué)函數(shù)第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2