大學(xué)課件無機(jī)及分析化學(xué)-第二章化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)匯報人:目錄熱力學(xué)基本概念壹熱力學(xué)第一定律貳熱力學(xué)第二定律叁熱力學(xué)第三定律肆熱力學(xué)函數(shù)伍平衡條件陸熱力學(xué)基本概念壹系統(tǒng)與環(huán)境熱力學(xué)邊界定義與分類系統(tǒng)指被研究的物質(zhì)集合，環(huán)境則是系統(tǒng)之外的所有物質(zhì)，二者相互作用。系統(tǒng)與環(huán)境之間的邊界決定了能量和物質(zhì)的交換方式，如開放系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)。能量傳遞方式系統(tǒng)與環(huán)境間能量傳遞主要通過熱傳遞和功的形式，如熱機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換。狀態(tài)與過程熱力學(xué)狀態(tài)指的是系統(tǒng)在某一瞬間的宏觀物理性質(zhì)，如溫度、壓力和體積。熱力學(xué)狀態(tài)熱力學(xué)過程描述系統(tǒng)狀態(tài)隨時間的變化，包括等溫、絕熱、等壓和等容過程。熱力學(xué)過程熱力學(xué)性質(zhì)內(nèi)能是系統(tǒng)內(nèi)部能量的總和，是熱力學(xué)性質(zhì)之一，與物質(zhì)的溫度和狀態(tài)有關(guān)。內(nèi)能熵是衡量系統(tǒng)無序度的物理量，是熱力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，與能量分布和轉(zhuǎn)換有關(guān)。熵焓代表系統(tǒng)在恒壓下的熱含量，是熱力學(xué)性質(zhì)中的一個關(guān)鍵概念，常用于化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)計算。焓吉布斯自由能是判斷化學(xué)反應(yīng)是否自發(fā)進(jìn)行的熱力學(xué)性質(zhì)，與系統(tǒng)的溫度、壓力和組成有關(guān)。吉布斯自由能熱力學(xué)定律概述能量守恒定律，即系統(tǒng)內(nèi)能的變化等于外界對系統(tǒng)做的功與系統(tǒng)吸收的熱量之和。熱力學(xué)第一定律在絕對零度時，完美晶體的熵值為零，說明無法通過有限步驟達(dá)到絕對零度。熱力學(xué)第三定律熵增原理，表明孤立系統(tǒng)的總熵不會減少，自然過程總是朝著熵增的方向進(jìn)行。熱力學(xué)第二定律010203熱力學(xué)第一定律貳能量守恒與轉(zhuǎn)化01熱能與功的轉(zhuǎn)換熱力學(xué)第一定律指出，系統(tǒng)內(nèi)能的改變等于外界對系統(tǒng)做的功與系統(tǒng)吸收的熱量之和。03能量守恒在物理過程中的體現(xiàn)物理過程中，如物體的運(yùn)動和靜止?fàn)顟B(tài)，能量守恒定律確保能量不會憑空產(chǎn)生或消失。02化學(xué)反應(yīng)中的能量變化在化學(xué)反應(yīng)中，能量守恒定律表現(xiàn)為反應(yīng)物的總能量與生成物的總能量相等。04能量轉(zhuǎn)化效率的計算能量轉(zhuǎn)化效率是指在能量轉(zhuǎn)換過程中，有效利用的能量與總能量的比值，體現(xiàn)了能量守恒定律的實際應(yīng)用。內(nèi)能與熱容內(nèi)能是系統(tǒng)內(nèi)部微觀粒子運(yùn)動和相互作用的總和，是熱力學(xué)第一定律的核心概念之一。內(nèi)能的定義01熱容是指物質(zhì)在溫度變化時吸收或放出熱量的能力，分為定壓熱容和定容熱容。熱容的概念02內(nèi)能的變化與熱容密切相關(guān)，通過熱容可以計算在一定條件下物質(zhì)內(nèi)能的變化量。內(nèi)能與熱容的關(guān)系03熱力學(xué)第一定律表達(dá)式熱力學(xué)第一定律表明能量不能被創(chuàng)造或消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。能量守恒原理01內(nèi)能是系統(tǒng)內(nèi)部微觀粒子運(yùn)動和相互作用的總和，是熱力學(xué)第一定律中的核心概念。內(nèi)能的概念02系統(tǒng)與外界的熱交換和功交換是能量轉(zhuǎn)換的兩種方式，體現(xiàn)了熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)。系統(tǒng)與環(huán)境的能量交換03熱力學(xué)第一定律通常用ΔU=Q-W來表達(dá)，其中ΔU是內(nèi)能變化，Q是熱量，W是做功。熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)04熱與功的計算內(nèi)能變化的計算通過計算系統(tǒng)與外界交換的熱量和做的功，可以確定系統(tǒng)內(nèi)能的變化。熱功當(dāng)量的理解熱功當(dāng)量是熱力學(xué)中的一個基本概念，表明了熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。熱力學(xué)第二定律叁自發(fā)過程與熵熵是衡量系統(tǒng)無序程度的物理量，自發(fā)過程通常伴隨著熵的增加。熵的概念熵的增加意味著系統(tǒng)能量分布更加均勻，是熱力學(xué)第二定律的體現(xiàn)。熵與能量分布自發(fā)過程的熵變總是正的或零，這是判斷過程是否自發(fā)的重要依據(jù)。熵變與自發(fā)性熵增原理熵是系統(tǒng)無序度的度量，熵增意味著系統(tǒng)趨向于更加無序的狀態(tài)。熵的定義自發(fā)過程總是伴隨著熵的增加，這是熵增原理的核心內(nèi)容。熵增與自發(fā)過程在化學(xué)反應(yīng)中，熵增原理幫助預(yù)測反應(yīng)的方向和限度。熵增在化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用環(huán)境對系統(tǒng)熵的影響是熵增原理在實際應(yīng)用中的重要考量。熵增與環(huán)境的關(guān)系熱力學(xué)第二定律表達(dá)式克勞修斯不等式是熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)，它描述了可逆和不可逆過程的熵變關(guān)系。克勞修斯不等式根據(jù)熱力學(xué)第二定律，所有熱機(jī)的效率都有一個理論上的上限，即卡諾效率。熱機(jī)效率上限熱力學(xué)第二定律的熵增原理表明，孤立系統(tǒng)的總熵不會減少，即自然過程是不可逆的。熵增原理01、02、03、可逆與不可逆過程可逆過程是理想化的概念，指系統(tǒng)與環(huán)境間無限接近平衡的交互；不可逆過程則無法完全復(fù)原。定義與區(qū)別例如，氣體自由膨脹是不可逆過程，因為它無法自發(fā)地恢復(fù)到初始狀態(tài)。實際過程的不可逆性根據(jù)熵增原理，不可逆過程總是導(dǎo)致系統(tǒng)的總熵增加，而可逆過程熵不變。熵增原理在卡諾循環(huán)中，可逆過程是理想化的熱機(jī)模型，而實際熱機(jī)運(yùn)行中存在不可逆損失。熱力學(xué)循環(huán)中的應(yīng)用熱力學(xué)第三定律肆熵的絕對值問題熵是系統(tǒng)無序度的度量，通過實驗測定熱容和相變數(shù)據(jù)來估算熵的絕對值。熵的定義與測量利用熱力學(xué)第三定律，通過計算物質(zhì)在絕對零度時的熵值，可以推算出任意溫度下的熵變。熵變的計算方法第三定律的表述熱力學(xué)第三定律指出，隨著溫度趨近絕對零度，系統(tǒng)的熵趨向一個常數(shù)。熵與絕對零度01第三定律還表明，無法通過有限步驟的物理過程使系統(tǒng)冷卻至絕對零度。不可達(dá)性原理02在第三定律的基礎(chǔ)上，可以計算在絕對零度時物質(zhì)的熵變，為化學(xué)反應(yīng)提供理論依據(jù)。熵變的計算03第三定律在低溫物理、化學(xué)反應(yīng)設(shè)計等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如超導(dǎo)材料的研究。第三定律的應(yīng)用04第三定律的應(yīng)用低溫技術(shù)第三定律為低溫技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)，如液氦的制備和超導(dǎo)材料的研究。熵的計算在實際化學(xué)反應(yīng)中，第三定律幫助科學(xué)家準(zhǔn)確計算反應(yīng)物和產(chǎn)物的熵值，指導(dǎo)反應(yīng)方向。熱力學(xué)函數(shù)伍熱力學(xué)勢內(nèi)能是系統(tǒng)熱力學(xué)勢的一種，它代表系統(tǒng)內(nèi)部能量的總和，是狀態(tài)函數(shù)。內(nèi)能（U）吉布斯自由能是衡量系統(tǒng)在恒溫恒壓下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時能量變化的熱力學(xué)勢。吉布斯自由能（G）焓是系統(tǒng)熱力學(xué)勢的另一種形式，定義為系統(tǒng)的總能量加上壓力和體積的乘積。焓（H）010203吉布斯自由能吉布斯自由能的定義吉布斯自由能是系統(tǒng)在恒溫恒壓下，可用來做非體積功的能量，是熱力學(xué)勢之一。吉布斯自由能與反應(yīng)方向當(dāng)一個化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能變ΔG小于零時，反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)條件下自發(fā)進(jìn)行。焓與吉布斯自由能的關(guān)系焓變與吉布斯自由能的關(guān)系在恒溫恒壓下，焓變與吉布斯自由能的關(guān)系通過ΔG=ΔH-TΔS來表達(dá)，其中ΔG是吉布斯自由能變化，ΔH是焓變，T是溫度，ΔS是熵變。0102吉布斯自由能的物理意義吉布斯自由能描述了系統(tǒng)在恒溫恒壓下進(jìn)行過程時能量的可用性，其減少表示過程自發(fā)進(jìn)行。03焓變對反應(yīng)自發(fā)性的影響當(dāng)ΔG<0時，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。在某些條件下，焓變ΔH的負(fù)值可以促進(jìn)反應(yīng)的自發(fā)性，尤其是在放熱反應(yīng)中。04熵變與反應(yīng)自發(fā)性的關(guān)系熵變ΔS的正值通常與反應(yīng)的自發(fā)性相關(guān)聯(lián)，因為熵增加意味著系統(tǒng)無序度的增加，這在恒溫條件下有利于自由能的減少。平衡條件陸化學(xué)平衡的條件反應(yīng)物和生成物的濃度變化會影響化學(xué)平衡的位置，遵循勒夏特列原理。濃度對平衡的影響在恒定溫度和壓力下，化學(xué)反應(yīng)達(dá)到動態(tài)平衡，正反反應(yīng)速率相等。恒溫恒壓條件相平衡與相律相平衡是指在一定條件下，系統(tǒng)中各相的化學(xué)勢相等，不發(fā)生物質(zhì)的相變。相平衡的定義相律是描述系統(tǒng)中相數(shù)、組分?jǐn)?shù)和自由度之間關(guān)系的規(guī)律，由吉布