1、掌握:掌握:内能、焓、熵和自由能等状态函数的物理意内能、焓、熵和自由能等状态函数的物理意义和有关计算;热效应问题的有关计算;深刻理义和有关计算;热效应问题的有关计算;深刻理解自由能与化学反应方向的关系,掌握用自由能解自由能与化学反应方向的关系,掌握用自由能变化来判断化学反应的方向;变化来判断化学反应的方向;有关平衡常数的计有关平衡常数的计算。算。了解:热力学第一、第二、第三定律的基本内容;了解:热力学第一、第二、第三定律的基本内容;3.1 热力学第一定律热力学第一定律 3.1.1 基本概念基本概念 a.体系与环境体系与环境 (体系(体系 +环境环境 =宇宙)宇宙)*敞开体系敞开体系 既有能量交
2、换又有物质交换既有能量交换又有物质交换 *封闭体系封闭体系 只有能量交换没有物质交换只有能量交换没有物质交换 *孤立体系孤立体系 既无能量交换又无物质交换既无能量交换又无物质交换 (为方便研究而假想的体系)(为方便研究而假想的体系)b.状态与状态函数状态与状态函数 状态状态 体系所有物理性质和化学性质的综合表现。体系所有物理性质和化学性质的综合表现。1 mol H2 1 mol H2 0 C,1atm 0 C,0.5 atm 22.4 dm3 44.8 dm3 状态状态 1 状态状态 2状态函数状态函数 描述体系宏观状态的物理量(也称体描述体系宏观状态的物理量(也称体系的性质)。系的性质)。特
3、点:特点:只与始态和终态有关,与途径无关。只与始态和终态有关,与途径无关。H2O(s,25C,1atm)H2O(g,25C,1atm)H2O(l,25C,1atm)广延性质广延性质 与体系中物质的量成正比,相同条件下与体系中物质的量成正比,相同条件下 有加和性。有加和性。如如 V、Cp、U、H、S、G 等。等。强度性质强度性质 体系中各处的性质是均匀的,与物质的量体系中各处的性质是均匀的,与物质的量 无关。无关。如如 P、T、C浓度浓度 等。等。c.过程和途径过程和途径 过程过程 体系的状态随时间发生的一系列变化。体系的状态随时间发生的一系列变化。*化学过程化学过程 按变化的性质分按变化的性质
4、分 *物理过程物理过程 按变化的条件分:按变化的条件分:等温(等温(T=0)等容(等容(V=0)等压(等压(P=0)循环循环.绝热过程(绝热过程(q=0)途径途径 体系变化过程中具体经历的状态。体系变化过程中具体经历的状态。P1T1V1 P2T2V2 恒温恒温 恒压恒压 P2T1V H2O (l,25C,1atm)H2O(g,25C,1atm)H2O(l,100C,1atm)H2O(g,100C,1atm)d.d.内能内能体系中各种形式能量的总和体系中各种形式能量的总和 (如:化学键、(如:化学键、van der Waals 力、力、分子的平动分子的平动能、转动能、振动能能、转动能、振动能)e
5、.e.热和功热和功体系和环境间能量传递交换的两种形式体系和环境间能量传递交换的两种形式 热热 体系与环境之间因温差而传递的能量。体系与环境之间因温差而传递的能量。显热显热 体系和环境间交换热量时,体系仅仅发生温体系和环境间交换热量时,体系仅仅发生温 度的变化。度的变化。摩尔热容(摩尔热容(C)1 mol 物质每升高一度所需的热量。物质每升高一度所需的热量。CV 恒容热容恒容热容 Cp 恒压热容恒压热容 单原子分子的理想气体单原子分子的理想气体:CV=3/2 R Cp=5/2 R双原子分子的理想气体双原子分子的理想气体:CV=5/2 R Cp=7/2 RCp=R+CV n mol 物质从物质从
6、T1 变到变到 T2的热量变化为:的热量变化为:恒压条件下:恒压条件下:qp =nCp T 恒容条件下:恒容条件下:qV=nCV T潜热潜热 体系仅仅发生相的变化或化学变化,而体系仅仅发生相的变化或化学变化,而无温度无温度 的变化。的变化。1 mol沸点温度的液体沸点温度的液体 1 mol沸点温度的气体沸点温度的气体 1 mol熔点温度的液体熔点温度的液体 1 mol熔点温度的固体熔点温度的固体 T T K K 的反应物的反应物 T T K K 的生成物的生成物 功功 除热之外,体系与环境之间传递的其它除热之外,体系与环境之间传递的其它形式的能量。如:机械功、电功、表面功、形式的能量。如:机械
7、功、电功、表面功、膨胀功、压缩功膨胀功、压缩功 膨胀功和压缩功膨胀功和压缩功 又称又称压强压强-体积功体积功 其它功称为有用功其它功称为有用功 功功 和和 热热 都都 不不 是是 状状 态态 函函 数!数!3.1.2 热力学第一定律热力学第一定律 U =q+w 能量守恒定律能量守恒定律 q q:体系从环境吸热()体系从环境吸热()w:w:体系对环境作功()体系对环境作功()体系向环境放热()体系向环境放热()环境对体系作功()环境对体系作功()例如:例如:一个体系从环境吸热一个体系从环境吸热 3000 kJ,体系对环境作功,体系对环境作功 2500 kJ,体系内能变化值,体系内能变化值 U 为
8、多少?为多少?解:解:U 3000 kJ 2500 kJ 500 kJ U 体系内能增加体系内能增加 U 体系内能减少体系内能减少 3.1.3 可逆过程和最大功可逆过程和最大功 a、体积功计算体积功计算 初始高度:初始高度:L1 膨胀后高度:膨胀后高度:L2 活塞移动距离:活塞移动距离:L W=-F L (力力 距离)距离)F/A=P外外 F=P外外 A W=-P外外 A L W=-P外外 V 底面积底面积 =A 例题:例题:圆桶内圆桶内 n mol 气体的压强为气体的压强为 P体体=1.0 atm,V=22.4 dm3,T=273.15 K。计算相同温度下,气体计算相同温度下,气体反抗反抗
9、0.5 atm 恒定外压的膨胀过程中,体系对环境做的恒定外压的膨胀过程中,体系对环境做的体积功?体积功?解:解:W=-P外外 V P外外=0.5 atm V=22.4 dm3 W=-0.5 atm 22.4 dm3=-11.2 atm dm3 =-11.2 atm dm3 101.3 =-1132.9 J (1 kPa dm3=1 J ,1 atm dm3=101.3 J )例题:例题:1 mol 液体水在液体水在 1 atm、100 C时蒸发成时蒸发成 1 mol 水蒸汽。计算此过程中体系对环境作的膨胀功?水蒸汽。计算此过程中体系对环境作的膨胀功?解:解:W=-P外外 V P外外=1 atm
10、 V=V气气 -V液液 V V气气 V气气 =RT/P=0.082 x 373.15/1 =30.6 dm3 W=-P外外 V气气 =-1 atm 30.6 dm3 101.3 =-3100 J b、可逆过程和最大功可逆过程和最大功 n mol 气体气体 n mol 气体气体 P体体1=6 atm P体体2=1 atm V1 =2 dm3 T=0 V2 =12 dm3 第一条途径:第一条途径:一次膨胀一次膨胀 P外外=1 atm W1=-P外外 V=-1 atm (12-2)dm3 101.3=-1013 J 第二条途径第二条途径:二次膨胀二次膨胀 P外外1=3 atm,P外外2=1 atm
11、W2=-3 x(4-2)+1 x(12-4)x 101.3=-1418.2 J 第三条途径:第三条途径:三次膨胀三次膨胀 P外外1=4 atm,P外外2=2 atm,P外外3=1 atm W3=-4 x(3-2)+2 x(6-3)+1 x(12-6)x 101.3=-1620.8 J 如果按无限多次膨胀如果按无限多次膨胀:P外外=P体体 dp 体积变化体积变化 dv 作功作功 dw=-P外外 dv dw=-(P体体 dp)dv 无限多次的累加:无限多次的累加:dw 积分:积分:dw=-(P体体 dp)dv w=-(P体体 dp)dv 数学上可以证明:数学上可以证明:(P体体 dp)P体体 w=
12、-P体体 dv 理想气体:理想气体:P体体=nRT/V w=-(nRT/V)dV=-nRT v2v1 dV/Vw=-nRT ln(V2/V1)=-6 x 2ln(12/2)x101.3=-2178 J 此过程作的功最大此过程作的功最大 等温可逆膨胀过程等温可逆膨胀过程 等温可逆压缩过程等温可逆压缩过程 无限多步压缩:无限多步压缩:P外外=P体体+dp 体积变化体积变化 dv 作功作功 dw=-P外外 dv dw=-(P体体+dp)dv 无限多次的累加:无限多次的累加:dw=-(P体体+dp)dv w=-(P体体+dp)dv 数学上可以证明:数学上可以证明:(P体体+dp)P体体 w=-P体体
13、dv 理想气体:理想气体:P体体=nRT/V w=-(nRT/V)dV=-nRT v2v1 dV/Vw=-nRTln(V2/V1)=-6 x 2ln(2/12)x101.3=2178 J 如果按照这样无限多步的膨胀和压缩,体系回到了如果按照这样无限多步的膨胀和压缩,体系回到了 原来的状态。原来的状态。经过经过 A B A 的循环过程:的循环过程:W=W膨膨 +W压压=-2178 +2178 =0 因为因为 T=0 U=0 (温度不变,理想气体的动能不变)温度不变,理想气体的动能不变)U=q+W q=0把一个体系能通过原途往返而环境无功损失的过程称为把一个体系能通过原途往返而环境无功损失的过程称
14、为 可逆过程可逆过程 。可逆过程是一个理想过程,任何实际过程都不可逆过程是一个理想过程,任何实际过程都不是可逆过程,只能无限接近与可逆过程。是可逆过程,只能无限接近与可逆过程。结论结论 恒温可逆膨胀过程作的功最大,恒温可逆膨胀恒温可逆膨胀过程作的功最大,恒温可逆膨胀过程吸的热也最多过程吸的热也最多。(T=0,U=0,w=q)如果按其它途径返回:如果按其它途径返回:第一条途径:第一条途径:P外外=6 atm W1=-6 atm x(2-12)dm3 x 101.3=6078 J第二条途径:第二条途径:P外外1=3 atm,P外外2=6 atm W2=-3 x(4-12)+6(2-4)x 101.
15、3 =3648.8 J第三条途径:第三条途径:P外外1=2 atm,P外外2=4 atm,P外外3=6 atm W3=-2x(6-12)+4(3-6)+6(2-3)x 101.3 =3039 J 一次膨胀一次膨胀 P外外=1 atm W膨膨=-P外外 x V=1 atm x(12-2)dm3 x 101.3=-1013 J一次压缩一次压缩 P外外=6 atm W压压=-6 atm x(2-12)dm3 x 101.3=-6078 J W循循=W膨膨+W压压=-1013 +6078)=5065 J3.1.4 理想气体可逆过程理想气体可逆过程w、q、U间的关系间的关系a、等容过程、等容过程 V=0
16、,w=0,qV=nCV T=Ub、等压过程、等压过程 p=0,w=p V=nR T,qp=nCp T,U=nR T+nCp T=nCV T c、等温过程、等温过程 T=0,w=nRT ln(V2/V1)q=w=nRT ln(V2/V1),U=0c、绝热过程、绝热过程 q=0,环境对体系所作的功环境对体系所作的功w=U,w=U=n CV T 3.2 热化学热化学 3.2.1 焓和焓变焓和焓变 大部分化学过程和物理过程都在恒压条件下进行,大部分化学过程和物理过程都在恒压条件下进行,因此:因此:U=qp P外外 V P1 =P2 =P外外 U=U2 U1 V=V2 V1 U2 U1=qp P外外(V
17、2 V1)U2 U1=qp (P2V2 P1V1)(U2+P2V2)(U1+P1V1)=qp 热力学定义:热力学定义:U +PV =H 焓焓 焓是重要的热力学状态函数焓是重要的热力学状态函数 (U2+P2V2)(U1+P1V1)=qp H2 H1 =H 焓变焓变 H =qp (恒压、体系不做非体积功)恒压、体系不做非体积功)恒压条件下:恒压条件下:H =qp=nCp T注意概念:注意概念:任何一个热力学过程的焓变为:任何一个热力学过程的焓变为:H =U +(PV)H =U +P V +V P3.2.2 理想气体可逆过程的焓变理想气体可逆过程的焓变理想气体的理想气体的(PV)=(nRT)对于一个
18、恒压、只作体积功的体系对于一个恒压、只作体积功的体系,焓变为:,焓变为:p=0,H =U +P V=-w+U=nR T+UnCp T=qp H=nCp T 对于一个恒容、只作体积功的体系:对于一个恒容、只作体积功的体系:V=0,H =U+V p=nCV T+V P,V P=V(P2 P1)=VP2 VP1=nRT2-nRT1=nR T;H=nCV T+nR T=n(CV+R)T=nCP T。T=0的等温过程的等温过程,(PV)=0,H=U+(PV)=0。和由和由 H=nCP T给出的结果一致。给出的结果一致。3.2.3 化学反应化学反应 H和和 U 的关系的关系:反应物反应物 (Tk)-生成物
19、生成物 (Tk)恒压下,反应热恒压下,反应热:q=qP=H 恒容下,反应热恒容下,反应热:q=qV=U 三种量热卡计:三种量热卡计:H =U +(PV)a.绝热卡计绝热卡计 b.弹式卡计弹式卡计 c.冰卡计冰卡计 H =U +(PV)如果如果只有固态和液态的反应,只有固态和液态的反应,(PV)较小,因此:较小,因此:H =U 如果如果涉及到气态的反应涉及到气态的反应,状态状态1:P1V1=ng1RT 状态状态2:P2V2=ng2RT (PV)=P2V2-P1V1 =ng2RT-ng1RT=ngRT ng =生成物的生成物的 ng -反应物的反应物的 ng 例题例题:298 K、1 atm时,苯
20、的燃烧反应:时,苯的燃烧反应:C6H6(l)+7.5O2(g)3 3H2O(l)+6CO2(g)已知该反应的已知该反应的 U=-3263.9 kJ/mol,求反应的求反应的 H。解:解:H =U +ngRT ng=6-7.5=-1.5 ngRT =-1.5 x 8.314 x 298 x 10-3=-3.72 kJ/mol H=U +ngRT=-3263.9-3.72=-3267.6 kJ/mol 3.2.4 热化学方程式和盖斯定律热化学方程式和盖斯定律热化学方程式热化学方程式H2(g)+O2(g)H2O(l)rHm0(298)=-285.8 kJ/mol HgO(s)Hg(l)+O2(g)r
21、Hm0(298)=+90.7 kJ/mol 对于任意反应:对于任意反应:aA +bB =cC +dD 反应进程反应进程:=-na/a =-nb/b =nc/c =nd/d 关关 于于 rHm(T)标标 准准 态态用焓作为研究化学体系的状态函数,用焓作为研究化学体系的状态函数,why?标准条件是:标准条件是:T=298.15 K;P=1.00 atm。在标准条件在标准条件下,化学反应的焓变称为标准反应焓,符号为下,化学反应的焓变称为标准反应焓,符号为 H。书写正确的热化学方程,要注意以下几点:书写正确的热化学方程,要注意以下几点:a、物质状态;、物质状态;b、热化学方程中,热化学方程中,H 或或
22、 H单位是单位是kJmol-1;c、反应吸热,反应吸热,H取正值;若反应放热,取正值;若反应放热,H取负值;取负值;d、同一个化学反应,在它的热化学方程写法不同时,同一个化学反应,在它的热化学方程写法不同时,摩尔反应焓就不一样。摩尔反应焓就不一样。例题:例题:萘燃烧反应的热化学方程式为:萘燃烧反应的热化学方程式为:C10H8(s)+12O2(g)10CO2(g)+4H2O(l)rHm0(298)=-5.13 x 103 kJ/mol 计算计算10克萘燃烧时放出多少热量?克萘燃烧时放出多少热量?已知已知 M萘萘=128 g/mol 解:解:n萘萘=10/128 =n萘萘/1=10/128/1=0
23、.078 qp=rHm0 x =-5.13 x 103 x 0.078=-4.02 x 102 kJ 3.2.5 盖斯定律盖斯定律 (也称化学反应热效应恒定定律)(也称化学反应热效应恒定定律)将任意个化学方程式相加将任意个化学方程式相加(或相减或相减)所得到的总反所得到的总反应的反应焓,一定是各个反应的反应焓之和应的反应焓,一定是各个反应的反应焓之和(或差或差)。例题例题:计算反应:计算反应:2Cu(s)+O2(g)2CuO(s)的的 H0?已知:已知:2Cu(s)+O2(g)Cu2O(s)H01=-167 kJ/mol Cu2O(s)+O2(g)2CuO(s)H02=-143 kJ/mol
24、解:解:H0=H01+H02=(-167)+(-143)=-310 kJ/mol3.2.6 化学反应焓变的计算化学反应焓变的计算 化学反应的焓变:化学反应的焓变:H =H 生成物生成物 -H 反应物反应物 a.用物质的标准生成焓计算用物质的标准生成焓计算物质标准生成焓定义:物质标准生成焓定义:在一定温度的在一定温度的标准态标准态条件下,由热力学稳定的单质反应,条件下,由热力学稳定的单质反应,生成生成 1 mol 化合物(或者不稳定单质或其他形式的物种)时的化合物(或者不稳定单质或其他形式的物种)时的焓变,称为该化合物的标准生成焓,用焓变,称为该化合物的标准生成焓,用 Hf0 表示。表示。*所有
25、稳定单质的所有稳定单质的标准生成焓都等于零标准生成焓都等于零,Hf0=0!例:例:H2(g)+O2(g)H2O(l)rHm0=-286 kJ/mol 这是这是 H2O(l)的生成反应,所以:的生成反应,所以:rHm =Hf0 H2O(l)=-286 kJ/mol 每种物质只有一种最稳定单质每种物质只有一种最稳定单质 是从单质是从单质 化合物化合物 (注意反应方向,(注意反应方向,1 mol)有些化合物的标准生成焓不能直接测量有些化合物的标准生成焓不能直接测量 物质标准生成焓物质标准生成焓(298 K)附录三附录三 p-514 rHm0 =ni Hf0(生成物生成物i)-nj Hf0(反应物反应
26、物j)例题:例题:计算反应:计算反应:4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)的的 H0。查表查表 Hf0(kJ/mol)-46.19 0 90.37 -241.83 解:解:H0 =4(90.37)+6(-241.83)4(-46.19)-0 =-904.72 kJ/mol HCOOH(l)+O2 H2O(l)+CO(g)H1 H2 H3 H2(g)+C(石石)+O2(g)(1)HCOOH(l)H2(g)+O2(g)+C(石石)H1=-Hf0 HCOOH(l)(2)H2(g)+O2(g)H2O(l)H2=Hf0 H2O(l)(3)C(石石)+O2(g)CO(g)H3=Hf0
27、CO(g)H =H1 +H2 +H3 H=(-Hf0 HCOOH(l)+(Hf0 H2O(l)+Hf0 CO(g)-nj Hf0(反应物反应物j)ni Hf0(生成物生成物i)b.用键焓估算化学反应焓变用键焓估算化学反应焓变 键焓键焓的定义:的定义:一定温度的标准态条件下,气体分子一定温度的标准态条件下,气体分子 断开断开 1 mol 键,生成气态原子或自由基时发生的焓变称键,生成气态原子或自由基时发生的焓变称为为键焓键焓,用用 B.E.表示。表示。例如:例如:H2(g)2H(g)H=436 kJ/mol H=B.E.(H-H)=436 kJ/mol *此焓变也称键解离焓此焓变也称键解离焓 用
28、用 D 表示。表示。键焓是许多键解离焓的平均值。键焓是许多键解离焓的平均值。CH4(g)CH3(g)+H(g)H1=438 kJ/molCH3(g)CH2(g)+H(g)H2=460 kJ/molCH2(g)CH(g)+H(g)H3=427 kJ/molCH(g)C(g)+H(g)H4=337.2 kJ/mol手册上查手册上查 B.E.(CH)=415 kJ/mol 查表时注意查表时注意 C C、C C、C C 键焓不相同键焓不相同 H0 =(B.E.)反应物反应物-(B.E.)生成物生成物 例题:例题:用键焓估算反应:用键焓估算反应:H2(g)+O2(g)H2O(g)的的 H0。已知:已知:
29、B.E.(H-H)=436 kJ/mol B.E.(O=O)=498 kJ/mol B.E.(O-H)=465 kJ/mol 解:解:H0 =B.E.(H-H)+B.E.(O=O)-2B.E.(O-H)=436 +(498)2(465)=-245 kJ/mol 注意:注意:反应物反应物 -生成物生成物 例题:例题:用键焓估算下列反应的焓变:用键焓估算下列反应的焓变:CH3OH(g)+HBr(g)=CH3Br(g)+H2O(g)已知:已知:B.E.(H-Br)=368 kJ/mol B.E.(C-O)=351 kJ/mol B.E.(O-H)=465 kJ/mol B.E.(C-Br)=276
30、kJ/mol 解:解:H0 =B.E.(H-Br)+B.E.(C-O)-B.E.(O-H)-B.E.(C-Br)=368 +351 276 465=-22 kJ/mol c.用物质的标准燃烧焓计算化学反应的焓用物质的标准燃烧焓计算化学反应的焓变变 物质标准燃烧焓定义:物质标准燃烧焓定义:一定温度标准态下,一定温度标准态下,1 mol 物质在氧气助燃下物质在氧气助燃下完全完全燃烧燃烧时的焓变,用时的焓变,用 HC0表示。表示。完全燃烧后的稳定产物:完全燃烧后的稳定产物:C CO2(g)N N2(g)S SO2(g)H H2O(l)Cl HCl(aq)氧气和所有稳定产物的氧气和所有稳定产物的标准燃
31、烧焓为零,标准燃烧焓为零,HC0=0!C6H6(l)+7.5O2(g)3 3H2O(l)+6CO2(g)rHm0(298)=-3267.6 kJ/mol HC0 C6H6(l)=-3267.6 kJ/molC10H8(s)+12O2(g)10CO2(g)+4H2O(l)rHm0(298)=-5.13 x 103 kJ/mol HC0 C10H8(s)=-5.13 x 103 kJ/mol H0 =ni HC0反应物反应物 I-nj HC0生成物生成物j例如例如:CH3COOH(l)+C2H5OH(l)CH3COOC2H5(l)+H2O(l)HC0 -871.5 -1366.75 -2254.2
32、1 0 H0 =(-871.5)+(-1366.75)(-2254.21)0=-15.96 kJ/mol例如:例如:计算反应:计算反应:H2(g)+O2(g)H2O(l)的焓变。的焓变。已知:已知:HC0(kJ/mol)-285.84 0 0 H0 =(-285.84)+0 0=-285.84 kJ/mol H0 =Hf0 H2O(l)=HC0 H2(g)d.原子化焓原子化焓 原子化焓原子化焓定义:定义:由热力学稳定单质形成由热力学稳定单质形成 1 mol 气态原子的过程中所气态原子的过程中所发生的焓变,称为该原子的原子化焓。发生的焓变,称为该原子的原子化焓。(相当于原子的标相当于原子的标准生
33、成焓准生成焓)例如:例如:H2(g)H(g)H0=218 kJ/mol Hf0H(g)=218 kJ/mol 利用原子化焓和气态分子的标准生成焓计算有关的键焓利用原子化焓和气态分子的标准生成焓计算有关的键焓 已知已知:H2O(g)2H(g)+O(g)Hf0(kJ/mol)-241.82 217.96 249.17 H0 =2(217.96)+(249.17)(-241.82)=926.92 kJ/mol 该反应的焓变相当于两个该反应的焓变相当于两个 B.E.(O-H):H0 =2 B.E.(O-H)B.E.(O-H)=H0 B.E.(O-H)=(926.92)=463.46 kJ/mol 根据
34、下列数据,计算根据下列数据,计算 CH4中中 C-H键的平均键能键的平均键能 B.E.(C-H)C(石石)C(g)H0=716.7 kJ/mol C(石石)+2H2(g)CH4(g)H0=-74.8 kJ/mol H2(g)2H(g)H0=436 kJ/mol 解:解:CH4(g)C(g)+4H(g)H0=+2 H0=716.7-(-74.8)+2(436)=1663.5 kJ/mol B.E.(C-H)=(1663.5)=415.8 kJ/mol I2(s)I(g)H0=Hf0 I(g)I2(s)I2(g)I(g)Hsub B.E.(I-I)Hsub +B.E.(I-I)=Hf0 I(g)3.2.7.焓变的影响因素焓变的影响因素 a.不考虑压强对化学反应焓变的影响不考虑压强对化学反应焓变的影响 b.不考虑温度对化学反应焓变的影响不考虑温度对化学反应焓变的影响