理工基础化学电子教材（工科化学二五）

本章主要内容：

§4.1化学热力学与能量转化

§4.2化学反应的方向和进度

§4.3化学平衡和反应速率

§4.4氧化还原反应和能源的开发与利用

前面两张我们主要从结构和性质上讲了物质的分类和应用，接下来就从物质的变化上讲化学反应，以及能源与化学反应的关系。

4.1化学热力学与能量转化

4.1.1化学热力学的认识

先看下几个热力学的基本概念

1）热力学：研究自然界各种形式能量之间相互转化的规律，以及能量转化对物质的影响的科学（热力学研究的是规律和影响，不是某个或者某几个反应）

2）化学热力学：用热力学的基本原理研究化学现象以及与化学相关的物理现象的科学（化学为体，物理学为用）

任何系统中，物质都在永恒运动，都具有动能；在运动过程中有相互作用，在达到平衡时，具有势能，动能和势能之和便是总能量。

3）系统的性质

系统的热力学状态一般用宏观可测性质来描述，这些性质又称为热力学变量，可以分为两类：

容量性质：

又称广度性质，它的数值与体系的物质的量成正比，比如体积、质量、熵等。容量性质既有加和性。举例：1L的水 1L的水=2L的水，体积具有加和性。

强度性质：它的数值取决于体系自身的特点，与体系的能量无关，不具有加和性，比如温度、压力等。举例：1g/cm3的水 1g/cm3的水的水不等于1g/cm3的水，密度不具有加和性

另：指定了物质的量的容量性质即成为强度性质，如摩尔质量、摩尔热容等

4）过程

根据变化条件不同，经常接触到的过程有这么几个：从这几个过程的定义就可以看出其含义。这里就不详述了。

过程的定义和常见的过程

5)途径

途径：实现过程的具体路线叫途径。或者说系统状态发生变化时，由始态到终态，可以经由不同方式。这种由同一始态到同一终态的不同方式可称为不同的途径

同一个过程的不同途径

状态：系统的物理、化学性质的综合表现；

状态性质：系统处于某一状态时的性质，是系统本身所属的宏观物理量，状态性质之间互相联系的，不是独立的，在数学上有函数关系，所以又称状态函数。

只和始态/终态有关，和过程无关的的函数叫做状态函数，和过程相关的叫做途径函数。如上图中的我温度和压强，无论走途径1还是途径2，他们的始态和终态都是一样的，温度和压强就是状态函数。

6）化学热力学方法和局限性

• 研究对象是大量分子的集合体，研究宏观性质，所得结论仅有统计意义
• 只考虑变化前后的净结果，不考虑物质的微观结构和反应机理
• 能判断变化能否发生以及进行到什么程度，但不考虑变化所需要的时间（时间在动力学中会提到）
• 局限性：不知道反应的机理、速率和微观状态，只讲可能性，不讲现实性

4.1.2热力学能U 及其变化ΔU

4.1.2.1热和功

1、热（Q）

定义：体系与环境之间因温差而传递的能量称为热，用符号Q表示。（传递热量的条件是温差）高中物理讲过热传递的三种方式，还有回答出来吗？（答案见文后评论区）

规定：系统吸热，Q>0；系统放热，Q<0。

2、功（W）

定义：系统与环境之间传递的除热以外的其它能量都称为功， 用符号W表示。

功可分为膨胀功（体积功） 和非膨胀功（其他形式的功）两大类。

规定：环境对系统作功，W>0； 系统对环境作功，W<0 。

化学热力学中的功分为：

体积功（膨胀功）W体积 ：因系统体积变化而引起与环境间交换的功称为体积功。

非体积功（有用功）W有用 ：除体积功以外其它功的形式皆为非体积功（如电功）。

体积功的计算方法：W≈ Δ pΔV

注意点：

a.热和功：是系统与环境交换能量的两种形式， 不是状态函数

b.热和功的数值：与途径有关，但它们的代数和与途径无关

c.正负原则：以体系为中心，体系得到为正，体系失去为负

4.1.2.2热力学能U

定义：它是指体系内部所有能量的总和。现在一般认为热力学能和内能是同一个概念，但在笔者求学时，这还是完全不同的两个定义，科学的发展真是奇幻。

热力学能包括：分子运动的平动能、分子内的转动能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间的相互作用位能等。

热力学能的特点：

1.热力学能是状态函数（状态一定，U一定）；

2.热力学能是容量性质；（具有加和性）

3.热力学能具有能量的量纲，用J表示；

4.热力学能的绝对值无法测定，但ΔU可测定；（ΔU叫做热力学能变）

ΔU=Q W：热和功之和就是热力学能变

例：某过程中，系统从环境中吸收了40kJ的热，对环境做功20kJ，求该过程中系统的热力学能变化ΔU

解：系统从环境吸热，系统的热力学能增加，所以，Q=40kJ

系统对环境做功，系统的热力学能减少，所以

W=-20kJ

ΔU=Q W=40kJ (-20kJ)=20kJ

即完成这一过程，系统热力学能增加了20kJ

下一节我们讲热力学第一定律及其意义

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