物理化學(xué)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)課件

物理化學(xué)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)課件匯報(bào)人：小無(wú)名13目錄引言熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)基礎(chǔ)相平衡與化學(xué)平衡非平衡態(tài)熱力學(xué)簡(jiǎn)介01引言010203掌握熱力學(xué)基本概念和原理通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能熟練掌握溫度、熱量、功、內(nèi)能等熱力學(xué)基本概念，以及熱力學(xué)第一定律和第二定律等基本原理。理解統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的基本思想和方法學(xué)生應(yīng)能理解微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，掌握統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的基本思想和方法，如系綜理論、分布函數(shù)等。掌握熱力學(xué)在化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用學(xué)生應(yīng)能運(yùn)用熱力學(xué)原理分析化學(xué)反應(yīng)的方向、限度以及反應(yīng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化等問(wèn)題。課程目的與要求溫度是表示物體冷熱程度的物理量，是熱力學(xué)系統(tǒng)的重要參量之一。熱量是熱力學(xué)系統(tǒng)與外界之間因溫差而傳遞的能量，是過(guò)程量。功是力在力的方向上移動(dòng)的距離的乘積，是過(guò)程量。內(nèi)能是熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部所有微觀粒子運(yùn)動(dòng)所具有的能量總和，是狀態(tài)量。溫度熱量功內(nèi)能熱力學(xué)基本概念統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的研究對(duì)象統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)以大量微觀粒子組成的宏觀系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法揭示系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的研究方法統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)采用系綜理論、分布函數(shù)等方法研究系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。其中，系綜理論通過(guò)引入“系綜”概念描述大量具有相同宏觀性質(zhì)但微觀狀態(tài)不同的系統(tǒng)的集合；分布函數(shù)則用于描述系統(tǒng)中微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分布規(guī)律。統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)簡(jiǎn)介02熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)系統(tǒng)由大量微觀粒子（如分子、原子）組成的宏觀物質(zhì)體系，是熱力學(xué)研究的對(duì)象。熱力學(xué)過(guò)程系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)變化到另一個(gè)平衡態(tài)所經(jīng)歷的路徑，描述系統(tǒng)狀態(tài)的變化。孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)與外界交換物質(zhì)和能量的方式不同，可將系統(tǒng)分為孤立系統(tǒng)（與外界無(wú)物質(zhì)和能量交換）、封閉系統(tǒng)（與外界有能量交換但無(wú)物質(zhì)交換）和開放系統(tǒng)（與外界既有物質(zhì)交換又有能量交換）。熱力學(xué)系統(tǒng)與過(guò)程能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱力學(xué)中的一種表現(xiàn)，表明熱量可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能量的總值保持不變。熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱量可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能量的總值保持不變。熱力學(xué)第一定律的表述熱力學(xué)第一定律表述功01宏觀上表現(xiàn)為物體間的相互作用力及在該力作用下的相對(duì)位移的乘積，是描述系統(tǒng)狀態(tài)變化過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的量度。熱02由于溫差的存在而導(dǎo)致的能量傳遞形式。它是熱量轉(zhuǎn)移的過(guò)程量。內(nèi)能03是物體或若干物體構(gòu)成的系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）內(nèi)部一切微觀粒子的一切運(yùn)動(dòng)形式所具有的能量總和。內(nèi)能常用符號(hào)U表示，內(nèi)能具有能量的量綱，國(guó)際單位是焦耳（J）。功、熱與內(nèi)能當(dāng)物質(zhì)在某一溫度下吸收或放出熱量時(shí)，其溫度的改變量稱為該物質(zhì)在該溫度下的熱容量或熱容。熱容反映了物質(zhì)吸收或放出熱量的能力，其大小與物質(zhì)的性質(zhì)、溫度及過(guò)程有關(guān)。熱容為了計(jì)算上的方便，常將熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式改寫為適用于某一特定熱力學(xué)過(guò)程的另一種形式。對(duì)此，定義了一個(gè)物理量——焓(hán)，對(duì)于等壓過(guò)程中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，由于反應(yīng)前后物質(zhì)的體積可能會(huì)發(fā)生變化，所以反應(yīng)過(guò)程中除轉(zhuǎn)化(產(chǎn)生或消耗)的熱能外，還會(huì)同時(shí)改變體系的體積而做功。焓熱容與焓03熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。熱力學(xué)第二定律的開爾文表述不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。熱力學(xué)第二定律表述熵是體系混亂度的量度，用符號(hào)S表示。對(duì)于同一物質(zhì)，氣態(tài)熵>液態(tài)熵>固態(tài)熵。熵的定義在孤立系統(tǒng)中，一切不可逆過(guò)程必然向著熵的不斷增加的方向進(jìn)行。熵增原理熵與熵增原理熱力學(xué)溫標(biāo)與溫度熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)又稱“絕對(duì)溫標(biāo)”或“開爾文溫標(biāo)”。是由威廉·湯姆森，第一代開爾文男爵于1848年提出的溫標(biāo)。符號(hào)為T，單位是開爾文，簡(jiǎn)稱“開”。溫度溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來(lái)講是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)某一過(guò)程從狀態(tài)1變到狀態(tài)2之后，如果能使系統(tǒng)和環(huán)境都完全復(fù)原，那么這樣的過(guò)程就稱為可逆過(guò)程。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)某一過(guò)程從狀態(tài)1變到狀態(tài)2之后，無(wú)論采用何種辦法都不能使系統(tǒng)和環(huán)境完全復(fù)原的過(guò)程稱為不可逆過(guò)程?？赡孢^(guò)程與不可逆過(guò)程不可逆過(guò)程可逆過(guò)程04統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)基礎(chǔ)宏觀狀態(tài)描述系統(tǒng)整體的熱力學(xué)性質(zhì)，如溫度、壓力、體積等。微觀狀態(tài)與宏觀狀態(tài)的聯(lián)系宏觀狀態(tài)是微觀狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，微觀狀態(tài)的變化會(huì)影響宏觀狀態(tài)的表現(xiàn)。微觀狀態(tài)描述系統(tǒng)中每個(gè)粒子的狀態(tài)和相互作用，包括位置、動(dòng)量、自旋等。微觀狀態(tài)與宏觀狀態(tài)

玻爾茲曼分布與玻色-愛因斯坦分布玻爾茲曼分布描述經(jīng)典粒子在平衡態(tài)下的分布規(guī)律，適用于粒子間相互作用較弱的情況。玻色-愛因斯坦分布描述全同玻色子在平衡態(tài)下的分布規(guī)律，適用于粒子間相互作用較強(qiáng)的情況。兩種分布的聯(lián)系與區(qū)別玻爾茲曼分布是玻色-愛因斯坦分布在高溫、低密度條件下的近似結(jié)果，兩者在低溫、高密度條件下存在顯著差異。03費(fèi)米-狄拉克分布與泡利原理的關(guān)系泡利原理是費(fèi)米-狄拉克分布的基礎(chǔ)，費(fèi)米-狄拉克分布反映了泡利原理在統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)中的影響。01費(fèi)米-狄拉克分布描述全同費(fèi)米子在平衡態(tài)下的分布規(guī)律，適用于粒子間相互作用較強(qiáng)的情況。02泡利不相容原理指出兩個(gè)全同費(fèi)米子不能處于同一量子態(tài)，是量子力學(xué)的基本原理之一。費(fèi)米-狄拉克分布與泡利不相容原理配分函數(shù)描述系統(tǒng)微觀狀態(tài)與宏觀狀態(tài)之間關(guān)系的函數(shù)，是計(jì)算熱力學(xué)量的關(guān)鍵。熱力學(xué)量計(jì)算通過(guò)配分函數(shù)可以計(jì)算系統(tǒng)的各種熱力學(xué)量，如內(nèi)能、熵、自由能等。配分函數(shù)的物理意義配分函數(shù)反映了系統(tǒng)在給定條件下的微觀狀態(tài)數(shù)，與系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。配分函數(shù)與熱力學(xué)量計(jì)算05相平衡與化學(xué)平衡相平衡條件在恒溫恒壓下，當(dāng)多相體系中各相的性質(zhì)和數(shù)量均不隨時(shí)間變化時(shí)，稱該體系處于相平衡狀態(tài)。此時(shí)，各相中的組元在相際間的轉(zhuǎn)移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。相圖分析相圖是表示相平衡關(guān)系的圖形，由溫度、壓力、組成等變量構(gòu)成。通過(guò)相圖可以了解物質(zhì)的相態(tài)、相變及相平衡等熱力學(xué)性質(zhì)。相平衡條件及相圖分析VS在一定條件下，可逆化學(xué)反應(yīng)的正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)物和生成物的濃度不再發(fā)生變化的狀態(tài)，稱為化學(xué)平衡狀態(tài)。此時(shí)，體系的吉布斯自由能達(dá)到最小值。反應(yīng)進(jìn)度表示方法反應(yīng)進(jìn)度是用來(lái)描述化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行程度的物理量，用符號(hào)ξ表示。對(duì)于某一可逆反應(yīng)，當(dāng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，正逆反應(yīng)的ξ值相等?；瘜W(xué)平衡條件化學(xué)平衡條件及反應(yīng)進(jìn)度表示方法沉淀溶解平衡及溶度積常數(shù)計(jì)算在一定條件下，難溶電解質(zhì)在溶液中的溶解與結(jié)晶達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。此時(shí)，溶液中離子的濃度不再發(fā)生變化。沉淀溶解平衡溶度積常數(shù)（Ksp）是描述難溶電解質(zhì)在溶液中溶解平衡的常數(shù)，表達(dá)式為等于各離子濃度的冪之積。通過(guò)測(cè)定溶液中離子的濃度，可以計(jì)算出Ksp的值。溶度積常數(shù)計(jì)算在一定條件下，酸和堿反應(yīng)生成鹽和水的反應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。此時(shí)，體系中各組分的濃度不再發(fā)生變化。pH值是描述溶液酸堿性的物理量，定義為氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)。通過(guò)測(cè)定溶液的pH值，可以了解溶液的酸堿性及酸堿反應(yīng)的平衡情況。酸堿反應(yīng)平衡pH值計(jì)算酸堿反應(yīng)平衡及pH值計(jì)算06非平衡態(tài)熱力學(xué)簡(jiǎn)介系統(tǒng)不處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，存在宏觀流動(dòng)或變化。非平衡態(tài)局域平衡假設(shè)熱力學(xué)流與力將非平衡系統(tǒng)劃分為許多小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域內(nèi)可近似為平衡態(tài)。描述系統(tǒng)非平衡特性的物理量，如熱流、粒子流等。030201非平衡態(tài)熱力學(xué)基本概念123描述熱力學(xué)流與力之間的線性關(guān)系，滿足倒易對(duì)稱性。Onsager倒易關(guān)系表達(dá)熱力學(xué)流與力之間的線性唯象關(guān)系，如Fourier熱傳導(dǎo)定律、Fick擴(kuò)散定律等。線性唯象定律在線性范圍內(nèi)，系統(tǒng)的熵產(chǎn)生總是非負(fù)的，與熱力學(xué)第二定律相符。熵產(chǎn)生不等式線性非平衡態(tài)熱力學(xué)理論框架描述熱力學(xué)流與力之間的非線性關(guān)系，如熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散等現(xiàn)象中的非線性效應(yīng)。非線性唯象定律非線性非平衡系統(tǒng)可能出現(xiàn)分叉行為和混沌現(xiàn)象，如Rayleigh-Bénard對(duì)流實(shí)驗(yàn)中的分叉現(xiàn)象。分叉與混沌某些非線性非平衡系統(tǒng)具有自組織臨界性，即系統(tǒng)能夠自發(fā)地演化到臨界狀態(tài)，表現(xiàn)出長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)和復(fù)雜行為。自組織臨界性非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)研究進(jìn)展