工程化学PPT

工程化学2020年9月9日9时34分1EngineeringChemistry李更辰13073130582第一章气体物质的聚集状态气体液体固体V受T、p的影响很大状态方程：联系p、V、T之间关系的方程n确定：f(p,V,T)=0n不确定：f(p,V,T,n)=0V受T、p的影响较小2020年9月9日9时34分2对于由纯物质组成的均相流体气体理想气体实际气体主要讨论气体的状态方程§1.1理想气体状态方程一、理想气体状态方程玻义尔定律(R.Boyle，1662):pV＝常数（n,T一定）2020年9月9日9时34分3低压气体定律：盖.吕萨克定律(J.Gay-Lussac，1808)：V/T＝常数(n,p一定)阿伏加德罗定律（A.Avogadro，1811)V/n＝常数(T,p一定)pV=nRT单位：pPaVm3TKnmolRJmol-1K-1R普适摩尔气体常数R＝8.314472Jmol-1K-1理想气体状态方程：结合以上三式经过数学处理而导出2020年9月9日9时34分4二、理想气体定义：服从pV=nRT的气体为理想气体或服从理想气体模型的气体为理想气体理想气体状态方程也可表示为：pVm=RTpV=(m/M)RT以此可相互计算p,V,T,n,m,M,(=m/V)三、理想气体模型分子间无相互作用力；分子本身不占体积低压气体近似为理想气体2020年9月9日9时34分5例1在实验室中，由金属钠与氢气在较高温度（t300℃）下制取氢化钠（NaH）时，反应前必须将装置用无水无氧的氮气置换。氮气是由氮气钢瓶提供的，其容积为50.0L，温度为25℃、压力为15.2MPa。①计算钢瓶中氮气的物质的量和质量；②若将实验装置用氮气置换了五次后，钢瓶压力下降至13.8MPa。计算在25℃，0.100MPa下，平均每次耗用氮气的体积。2020年9月9日9时34分651解：①已知：V=50.0L，T=298K，p1=15.2×103kPa。RTNnVp)(121KKmolJLkPa298314.80.50102.15113mol3072020年9月9日9时34分7m(N2)=307mol×28.0g·mol−1=8.60kg②已知：p2=13.8×103kPa，V=50.0L，T=298K，设置换了五次后还剩氮的物质的量为n2(N2)RTpNnV)(222KKmolJLkPa298314.80.50108.13113mol5.278在298K，0.100MPa下，每次置换耗用氮气的体积V(N2)为ΘpRTNnNnNV)]()([51)(22212L141KPaKKmolJmol100298314.8)5.278307(51112020年9月9日9时34分8例2氩气（Ar）可由液态空气蒸馏而得到。若氩的质量为0.7990g，温度为298.15K时，其压力为111046Pa，体积为0.4448L。计算氩的摩尔质量M（Ar）、相对原子质量Ar（Ar）以及标准状况下氩的密度ρ(Ar）。解：已知m（Ar）=0.7990g，T=298.15Kp=111.46kPa，V=0.4448L因为MmnpV=nRT所以pVmRTM2020年9月9日9时34分9LkPaKKmolJgArM4448.046.11115.298314.87990.0)(11195.39molgAr(Ar)=39.95RTpMVm密度在标准状况下，T=273.15K，p=101.325kPa1111782.115.273314.895.39325.101)(LgKKmolJmolgkPaAr2020年9月9日9时34分10§1.2理想气体混合物一、混合物的组成摩尔分数x或y（量纲为1）显然xB=1,yB=1defBBBAA()xynn或==质量分数wBdefBBAAwmm==（量纲为1）显然wB=12020年9月9日9时34分11体积分数Bdef****BBm,BAm,ABAAAxVxVVV==显然B=1（量纲为1）二、道尔顿定律混合气体（包括理想的和非理想的）的分压定义：defBBpyp==pBB气体的分压，p混合气体的总压yB=1，p=pB2020年9月9日9时34分12混合理想气体分压定律理想混合气体的总压等于各组分单独存在于混合气体的T、V时产生的压力总和。道尔顿分压定律BBBBBBBBRTRTnRTpnnpVVVnRTpV三、阿马格定律理想气体混合物的总体积V为各组分分体积VB*之和V=VB*2020年9月9日9时34分13BBB*BBB()/VnRT/pnRTpnRTVp由可有：B*BnRTVp理想气体混合物的总体积V等于各组分B在相同温度T及总压p条件下占有的分体积VB*之和。阿马格定律二定律结合可有：*BBBBnpVynpV2020年9月9日9时34分14例3在298K时，将压力为3.33×104Pa的氮气0.2L和压力为4.67×104Pa的氧气0.3L移入0.3L的真空容器，问混合气体中各组分气体的分压力、分体积和总压力各为多少？解：由p1V1=p2V2得PaLLPapN441022.23.02.01033.32氮气的分压力PaLLPapO441067.43.03.01067.42氧气的分压力总p=（2.22+4.67）×104Pa=6.89×104PaLPaPaLVN097.01089.61022.23.0442氮气的分体积LVN203.02氮气的分体积2020年9月9日9时34分15第二章化学热力学热力学是研究能量相互转变过程中所遵循的规律的一门科学。研究在各种变化过程中发生的各种能量效应；研究在某一定条件下变化的自发性变化能够自发发生的方向；变化的程度——化学平衡；本章是从热力学应用于化学角度，对热力学的基本原理给予初步介绍。2020年9月9日9时34分16§2.1基本概念一、系统和环境在系统之外与系统密切相关，影响所能及的部分，则称为环境系统或体系：被划定的研究对象，就称为系统或体系。环境：系统隔离系统封闭系统开放系统既无物质交换又无能量交换没有物质交换但有能量交换既有物质交换又有能量交换在系统与环境之间2020年9月9日9时34分17二、状态与状态函数状态：一个系统的所有物理化学性质，例如温度、压强、物质的量、体积、组成等性质有唯一确定值时，系统处于一定状态当系统状态一定，系统的所有性质也都有唯一确定值与之对应若其中任一性质有了改变，则系统的状态就发生了变化变化前的状态，常称为“起始状态”（始态）；变化后的状态，则称为“终了状态”（终态）。状态函数：描述系统状态的宏观性质2020年9月9日9时34分18系统的状态一定，状态函数的值就有一个相应的确定的值，即状态函数只与系统状态有关。如果状态发生变化，只要终态和始态一定，那么状态函数的变化值有唯一值与之对应，不会因始态至终态所经历的具体过程不同而改变。即状态函数的变化值只与系统的始末态有关，与途径无关。若在整个过程中，温度恒定，等于环境的温度，就叫恒温过程；热力学过程：系统发生的变化的经过。若变化过程中，系统的体积保持不变，就叫恒容过程若整个过程中，系统的压力保持不变，并等于环境的压力，就称为恒压过程；2020年9月9日9时34分19三、广度性质和强度性质广度性质：广度性质的数值与系统的数量成正比。整个系统的某种广度性质是系统中各部分该种性质的总和强度性质：强度性质不具有加和性，其数值决定于系统自身的特性，与系统的数量无关。例如系统的体积、质量及即将学习的内能、焓、熵等都属于广度性质系统的两个广度性质相除之商就成为强度性质。例如，密度是质量除以体积之商例如温度、压力、摩尔焓、摩尔熵、摩尔吉布斯函数等都属于强度性质2020年9月9日9时34分20四、系统的标准态标准压力：国际标准中规定100.0kPa为标准压力，以PΘ表示气体标准态：处于标准压力下的具有理想气体行为纯气体状态即为标准态纯液体和固体的标准态：处于标准压力下的纯液体和纯固体中最稳定状态溶液的溶质标准态：处于标准压力下溶质浓度为CΘ=1mol·L−1或bΘ=1mol·kg−1时，且符合亨利定律的假想状态（可参考物理化学的有关章节。）2020年9月9日9时34分21五、热Q和功W热：由于温度不同，而在系统与环境之间交换的或传递的能量就称为热功：在系统和环境之间传递的除热之外的其它各种形式能量都称为功。热和功是在热力学过程中系统与环境之间所传递的能量，其数值与热力学过程所经过的具体途径有关。因此热和功不是热力学性质，即不是状态函数系统对环境做功为负功，环境对系统做功为正功系统吸收热量为正，放出热量为负2020年9月9日9时34分22体积功：系统体积改变时抵抗外力所做的功非体积功：除体积功外的其他形式的功功几种过程的的体积功计算体积功的基本计算公式：δW=−P外dV恒压过程的功W=−P（V2−V1）恒容过程的功W=−∫P外dV=0（dV=0）向真空中自由膨胀W=−∫PdV=0(P外=0)理想气体的恒温可逆过程1221lnlnppnRTVVnRTW2020年9月9日9时34分23六、反应进度反应进度是用来描述某一化学反应进行程度的物理量，它具有与物质的量相同的量纲，SI单位为mol，用符号ξ表示。任何化学反应式写成：aA+bB+…=pP+qQ+…令νA=−a，νB=−b，…;νP=p，νQ=q，…则任何反应方程式可写为BBB00=νAA+νBB+…+νPP+νQQ+…2020年9月9日9时34分24定义反应进度ξ为BBdefdnd例如：N2+3H2=2NH3当t=0,ξ=0，n0B/mol480当t=t,ξ=ξ，nB/mol224BBnmol/1423822204使用反应进度，无论用哪种物质表示，反应进度是一致的注意：同一反应用不同方程式表示反应时，反应进度是不同的例如：1/2N2+3/2H2=NH3BBnmol/2/1422/38241042020年9月9日9时34分25§2.2热力学能和焓一、热力学能和恒容热效应热力学能热力学第一定律：自然界的一切物质都具有能量，能量可以表现为各种具体形式，且各种形式的能量可以相互转化，在转化中，能量的总量不变。系统的总能量是由下列三部分组成：系统整体运动的动能，该项通常为零。系统在外力场中的位能，该项通常为零。热力学能，又叫内能U，为我们所关注。2020年9月9日9时34分26热力学能：系统内部各种能量（如分子运动的平动能、转动能、振动能，电子及核的能量，以及分子与分子相互作用的位能等）的总和。内能是系统的状态函数，只决定于其状态，是系统状态的单值函数，在确定的状态下有确定的值内能改变值也只取决于系统的始态和终态，而与变化的途径无关其确切数值尚无法知道热力学能ΔU：系统在变化过程中吸收或放出了多少能量2020年9月9日9时34分27系统的内能的变化ΔU=Q+W假设系统由状态（1）→状态（2）若在过程中系统从环境吸收热Q，对环境做功W根据能量守恒定律若系统发生了微小的变化，内能的变化:dU=δQ+δW恒容热效应QV：在不做非体积功的情况下，恒容过程系统与环境交换的热W=0ΔU=Q+WΔU=QV恒容热效应等于系统的热力学能变2020年9月9日9时34分28二、焓焓的定义当系统在恒压条件下，只做体积功而不涉及其他形式的非体积功(W′=0)，体积功W=−P·ΔV用QP表示系统在恒压条件下，只做体积功吸收或放出的热时ΔU=QP−P·ΔV恒压下，只做体积功QP=U2−U1+PV2−PV1