工程热力学课程纲要物理化学上海交通大学.docx

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工程热力学课程纲要物理化学上海交通大学

物理化学教学大纲

课程名称：

物理化学A

（2）（3）

PhysicalChemistry

课程性质：

专业基础课

学时：

102学时

授课对象：

化学专业本科生

授课学期：

第三、第四学期

考试方式：

闭卷式笔试+平时作业

2009年4月

★前言

化学与物理学之间的紧密联系是不言而喻的：

化学过程包含或是伴有物理过程，而分子中电子的运动，原子的转动、振动，分子中原子相互间的作用力等微观物理运动形态，则直接决定了物质的性质及化学反应能力。

人们在长期的实践过程中注意到这种相互联系，并且加以总结，逐步形成一门独立的学科分支叫做物理化学。

物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手来探究化学变化基本规律的一门科学，在实验方法上也主要是采用物理学中的方法。

化学是一门中心学科，它与社会多方面的需要有关。

进入20世纪的前期，在工业生产和化学的科学研究中，物理化学的基本原理得到了广泛应用，发挥了它的指导作用，特别是新兴的石油炼制和石油化工工业，更是充分地利用了化学热力学、化学动力学、催化和表面化学等的成果。

而工业技术的发展和其他学科的发展，特别是物理学的进展和各种测试手段的大量涌现，极大的影响着物理化学的发展。

在物理化学所属的分支领域中如结构化学、热化学、化学热力学、电化学、溶液理论、流体界面化学、化学动力学、量子化学、催化化学及其理论等都得到了迅速的发展。

现代物理化学是研究所有物质体系的化学行为的原理、规律和方法的学科，涵盖从宏观到微观与性质的关系规律、化学过程机理及其控制的研究，是化学以及在分子层次上研究物质变化的其他学科领域的理论基础。

作为化学学科的一个重要分支，物理化学所担负的主要任务是探讨和解决化学变化的方向和限度问题、化学反应的速率和机理问题及物质结构和性能之间的关系问题，这三方面问题往往是相互联系、相互制约而不是孤立无关的。

在探讨和解决这些问题的过程中逐渐了解化学变化在客观上存在的规律性，有助于我们了解世界、能动地改造客观世界，使之为我们所用。

★先修课程：

无机化学、分析化学、有机化学、基础化学实验、大学数学、大学物理等。

★适用专业：

化学专业。

★教材：

《物理化学》（第五版），傅献彩等编，高等教育出版社，2005

★教学参考书：

《物理化学》，高丕英李江波编，科学出版社；

《物理化学》，胡英等编，第四版，高等教育出版社。

PhysicalChemistry.6thed.,AtkinsP.W.，OxfordUniversityPress.（有中译本）

《物理化学习题精解与考研指导》，高丕英李江波编，上海交通大学出版社；

PhysicalChemistry.7thed.,AtkinsP.W.，OxfordUniversityPress.（有中译本）

附：

关于教材

本课程采用的教材是由南京大学教师编写高等教育出版社出版（2005年）的《物理化学》（第五版），它是普通高等教育“十一五”国家级规划教材。

第五版是在第四版的基础上，遵照教育部高等学校化学与化工学科教学指导委员会2004年通过的“化学专业和应用化学专业化学教学基本内容”进行了适当的调整和增删，并总结近年来教学研究和教学改革成果修订而成的。

全书重点阐述了物理化学的基本概念和基本理论，同时考虑到不同读者的需要也适当介绍了一些与学科发展趋势有关的前沿内容。

★本课程的性质、地位、作用和任务

本课程是高等院校化学专业的一门重要基础课，为化学专业二级学科。

课程以化学热力学、化学动力学、电化学、表面化学和胶体化学为基本结构，主要内容有化学热力学第一、二、三定律、相平衡和化学平衡；电解质溶液、可逆电池的电动势、电解与极化作用；化学动力学基础一、二；表面化学和胶体化学。

通过对本课程的学习，一方面使学生掌握物理化学的基本知识，掌握处理问题的基本方法；了解该研究领域的一些新进展，从而进一步扩大知识面，打好专业基础，加深对先行课程如无机化学、有机化学、分析化学的理解，做到知识面宽、基础深。

另一面进一步培养学生的独立工作能力，提高学生的自学能力，学习前人提出问题、考虑问题和解决问题的方法，逐步培养独立思考和独立解决问题的能力，以便在生产实践和科学研究中碰到问题时，能得到一些启发和帮助。

★实施本课程教学任务的方法、手段

本课程以课堂讲授为主、自学和讨论为辅的方式组织教学，采用多媒体投影辅助教学手段，并通过阅读主要参考书目、网上查询、资料整理和专题讨论，加深对物理化学基本原理的了解，并掌握该学科的前沿发展动态。

对每章进行一次习题课，以巩固难掌握的知识点，并掌握运用物理化学方法初步解决问题的能力。

物理化学课堂教学纲要

绪论（1学时）

一、知识点

着重阐明物理化学的意义、介绍物理化学的研究内容以及学习物理化学的方法。

二、教学内容与教学方法

教学内容

1.物理化学的建立与发展

2.物理化学的目的和内容

3.物理化学的研究方法

4.物理化学课程的学习方法

教学方法

以教师讲授为主，穿插大量实例，启发学生思考，重点为介绍物理化学的学习方法。

第二章热力学第一定律（9学时）

一、知识点群

●系统、环境

●热力学平衡态、状态函数、热和功

●准静态过程、可逆过程

●热力学第一定律

●Joule-Thomson效应

●热效应、Hess定律

●Kirchhoff定律

二、教学内容与教学方法

教学内容

2.1热力学概论

2.2热平衡和热力学第零定律----温度的概念

2.3热力学的一些基本概念

系统与环境系统的状态和性质热力学平衡态与状态函数状态系数热和功

2.4热力学第一定律

热力学第一定律的表述法与数学表达式；热力学能；准静态过程与可逆过程；

功与过程

2.5准静态过程与可逆过程

功与过程准静态过程可逆过程

2.6焓

2.7热容

热容及热量的计算Cp与CV之间的关系

2.8热力学第一定律对理想气体的应用

盖·吕萨克—焦耳实验相变过程和化学过程绝热过程的功和过程方程式

2.9Carnot循环

Carnot循环热机效率冷冻系数

2.10Joule-Thomson效应----实际气体的ΔU和ΔH

J-T效应J-T系数与J-T转化温度实际气体的ΔU和ΔH

2.11热化学

化学反应的热效应反应进度热化学方程式

2.12盖斯定律

2.13几种热效应

标准摩尔生成焓燃烧焓溶解热和稀释热由键焓估算反应热

2.14反应焓变与温度的关系----基尔霍夫定律

2.15绝热反应----非等温反应

2.16*热力学第一定律的微观说明

教学方法

以教师讲授为主，学生自学和课堂讨论为辅，学习重点为热力学的基本概念和热力学第一定律，可通过实例辅以课后习题加深学生对其理解，以及对准静态过程和可逆过程的理解。

三、教学目标

通过对热力学第一定律的学习使学生了解热力学的一些基本概念，如体系、环境、状态、功等；明确热力学第一定律和内能的概念；了解热力学方法的特点，特别是要了解状态函数、准静态过程和可逆过程的概念；了解热力学第一定律的一些应用，如热化学和理想气体在几种过程中功和热量的计算等，能够较熟练地应用热力学第一定律，从微观角度了解热力学第一定律的本质。

第三章热力学第二定律（12学时）

一、知识点群

●热力学第二定律

●Carnot定理

●熵、Clausius不等式

●Helmbolz自由能、Gibbs自由能

●热力学第三定律

二、教学内容与教学方法

教学内容

3.1自发变化过程的共同特征----不可逆性

3.2热力学第二定律

3.3卡诺定律

3.4熵的概念

3.5Clausius不等式与熵增加原理

Clausius不等式熵增加原理

3.6热力学基本方程与T-S图

T—S图及其应用

3.7熵变的计算

等温过程ΔS的计算非等温过程ΔS的计算

3.8熵和能量退降

3.9热力学第二定律的本质和熵的统计意义

热力学第二定律的本质Boltyman公式

3.10亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能

Helmbolz自由能Gibbs自由能

3.11变化的方向和平衡条件

3.12ΔG的计算示例

等温物理变化过程ΔG化学变化过程ΔG—化学反应等温式

3.13几个热力学函数的关系

基本公式特性函数Maxwell关系式及其应用Gibbs自由能与温度、压力的关系

3.14热力学第三定律与规定熵

热力学第三定律规定熵值化学反应过程中的ΔS计算

3.15绝对零度不能达到原理----热力学第三定律的另一种表述法

3.16不可逆过程热力学简介

教学方法

以教师讲授为主，学生自学和课堂讨论为辅，学习重点为热力学第二定律、熵的意义及ΔG、ΔS的计算。

三、教学目标

通过本章的学习使学生明确热力学第二定律的意义，了解自发变化的共同性质；了解热力学第二定律与卡诺定理的联系，理解克劳修斯不等式的重要性；熟记热力学函数U、H、S、F、G的定义，了解其物理意义；能熟练运用吉布斯-亥姆霍兹公式、克拉贝龙和克劳修斯-克拉贝龙方程式，能够利用范霍夫等温式来判别化学变化的方向；了解熵的统计意义，明确偏摩尔量和化学势的意义及它们之间的区别；初步了解热力学第三定律的内容。

第四章多组分系统热力学及其在溶液中的应用（7学时）

一、知识点群

●偏摩尔量

●化学势

●Raoult定律、Henry定律

●稀溶液的依数性

●活度、活度因子

●分配定律

二、教学内容与教学方法

教学内容

4.1引言

4.2多组分系统的组成表示法

4.3偏摩尔量与化学势

偏摩尔量的定义及其集合公式Gibbs-Duhem公式

4.4化学势

化学式的定义及其在相平衡中的应用化学势与T、P的关系

4.5气体混合物中各组分的化学势

理想气体及其混合物的化学势非理想气体混合物的化学势----逸度的概念逸度因子的求法

4.6稀溶液中的两个经验定律

Raoult定律Henry定律

4.7理想液态混合物

理想液态混合物的定义理想液态混合物中任一组分的化学势理想液态混合物的通性

4.8理想稀溶液中任一组分的化学势

4.9稀溶液的依数性

4.10Duhem-Margules公式

4.11活度与活度因子

非理想溶液中各组分的化学势—活度的概念非理想稀溶液双液系中活度因子之间的关系

4.12渗透因子和超额函数

溶剂A的渗透因子超额函数

4.13分配定律—溶质在两互不相溶液相中的分配

4.15绝对活度

教学方法

教师讲授和引导学生共同思考方式。

三、教学目标

本章主要介绍溶液的热力学（即热力学第一、第二定律在多组分体系中的一些应用），引入了理想溶液、活度、逸度、标准态、超额函数等概念，介绍了理想溶液以及非理想溶液中任一组分的化学势的表示法。

这些表示法在处理溶液中的问题（相平衡和化学平衡）是很有用。

此外还介绍了稀溶液中两大经验定律：

拉乌尔定律和亨利定律。

学习本章的具体要求是：

熟悉溶液浓度的各种表示法及其相互关系；了解什么是理想溶液、理想溶液的通性；了解拉乌尔定律和亨利定律的区别；了解活度和逸度的概念；能够熟练表示溶液中各组分的化学势，了解从微观角度讨论溶液形成是一些热力学函数的变化；了解稀溶液依数性公式的推导，以及分配定律的推导，了解热力学处理溶液问题的一般方法。

第五章相平衡（10学时）

一、知识点群

●相率

●单组分系统的相平衡

●Clapeyron方程

●二组分系统的相图

二、教学内容与教学方法

教学内容

5.1引言

5.2多相体系平衡的一般条件

5.3相律

5.4单组分体系相图

单组分体系的两相平衡—Clapeyron方程外压与蒸气压关系水的相图

硫的相图*

5.5二组分体系相图及应用

5.6三组分体系相图

教学方法

以教师课堂讲授为主，辅以学生自学，通过习题加深对基本概念的理解。

三、教学目标

本章应用热力学方法讨论相平衡体系的一般规律。

本章学习结束要求学生能够了解相、组分数和自由度的意义；了解相律的推导过程及其在相图中的应用；根据相图能够绘出步冷曲线，或者根据步冷曲线能绘制简单的相图；在双液系中已完全互溶的双液系为重点了解其p-x图和T-x图，了解蒸馏和精馏的基本原理；在二组分液-固体系中，以简单低共熔物的相图为重点，了解相图的绘制和应用。

第六章化学平衡（5学时）

一、知识点群

●反应进度、化学反应的亲和势

●平衡常数、化学反应等温式

●标准摩尔生成Gibbs自由能

●温度、压力及惰性气体对化学平衡的影响

二、教学内容与教学方法

教学内容

6.1化学反应的平衡条件和化学反应亲和势

化学反应的平衡条件化学反应的亲和势

6.2化学反应的平衡常数和等温方程式

化学反应平衡常数的导出化学反应等温式溶液中反应的平衡常数

6.3平衡常数的表示式

热力学平衡常数的表示Kp,Kx,Kc的表示及关系

6.4复相化学平衡

6.5标准摩尔生成Gibbs自由能

△rGθm的一些应用标准摩尔Gibbs生成自由能如何求算△fGθm

6.6温度、压力、惰性气体对化学平衡的影响

6.7同时化学平衡

6.8*反应的耦合

6.9*近似计算

6.10*生物能学简介

教学方法

教师课堂讲授为主，辅以学生自由讨论、自学。

三、教学目标

本章根据热力学的平衡条件导出化学反应等温方程式和平衡常数表达式，前者用以判别化学反应的方向，后者则反应达平衡时反应体系中各物质的活度（浓度）之间的关系。

根据平衡常数就能求出在给定条件下反应所能达到的程度。

并讨论了各种因素如浓度、温度、压力及惰性气体对平衡常数的影响。

重点在于计算平衡组成。

对学生的具体要求是：

了解如何从平衡条件导出化学反应等温式、如何使用这个公式；理解△Gθm的意义，能够由△Gθm估计反应的可能性；熟悉Kθp，Kp，Kx，和Kc之间的关系；了解平衡常数与温度、压力的关系和惰性气体对平衡组成的影响，并掌握其计算方法。

　第七章统计热力学基础（8学时）

一、知识点群

1、了解什么是最概然分布？

　　2、为什么可以用最概然分布的微观状态数来代替整个体系的微观状态数？

　　3、理解配分函数及其意义。

　　4、明确定位体系与非定位体系热力学函数的区别。

　　5、了解平动、转动、振动对热力学函数的贡献。

　　6、了解什么是玻色—爱因斯坦统计和费米—狄拉克统计。

二、教学内容与教学方法

教学内容

引言

　　7-1、粒子体系统计分布的基本知识

　　7-2、麦克斯韦－玻尔兹曼分布。

（其中最可几分布与平衡分布推导部分学生自学）

　定位系统的最概然分布α、β值的推导Boltzmann公式的讨论摘取最大项法及其原理

　　7-3、配分函数

　配分函数的定义二、配分函数与热力学函数的关系三、配分函数的分离

　　7-4、各配分函数的求法及其对热力学函数的贡献

　原子核配分函数电子配分函数平动配分函数单原子理想气体的热力学函数

转动配分函数振动配分函数。

　　7-5、分子的全配分函数

　　7-6、用配分函数计算△rGm和反应的平衡常数

　化学平衡系统的公共能量标度从自由能函数计算平衡常数热函函数

从配分函数求平衡常数。

教学方法

教师讲授和引导学生共同思考方式。

三、教学目标

了解统计系统的分类核统计热力学的基本假定,了解最概然分布及其与体系微观状态数的关系。

理解配分函数及其物理意义，明确定位体系与非定位体系的热力学函数间的差别。

熟悉平动、转动、振动对热力学函数的贡献。

第八章电解质溶液（7学时）

一、知识点群

●原电池和电解池

●离子的电迁移现象、电迁移率和迁移数

●电导率

●活度、活度因子

●Debye-Hickel极限公式

二、教学内容与教学方法

教学内容

8.1电化学中的基本概念和电解定律

原电池和电解池法拉第电解定律

8.2离子的电迁移率和迁移数

离子的电迁移现象离子迁移数迁移数测定

8.3电解质溶液的电导

电导、电导率、摩尔电导率电导的测定电导率、摩尔电导率与浓度的关系离子独立移动定律和离子的摩尔电导率电导测定的一些应用

8.4电解质的平均活度和平均活度因子

电解质的平均活度和平均活度因子离子强度

8.5强电解质溶液理论简介

离子互吸理论Debye-Hickel极限公式

教学方法

教师讲授和引导学生共同思考方式。

三、教学目标

本章主要讨论电解质溶液的性质及理论，通过学习须使学生掌握电化学的基本概念和电解定律，了解迁移数的意义及常用的测定迁移数的方法；掌握电导率、摩尔电导率的意义及它们与溶液浓度的关系；熟悉离子独立移动定律及电导测定的一些应用；掌握迁移数与摩尔电导率、离子电迁移率之间的关系，能熟练进行计算；理解电解质的离子平均活度、平均活度因子的意义及其计算方法；了解强电解质溶液理论的基本内容及使用范围，并会计算离子强度及使用Debye-Hickel极限公式。

第九章可逆电池的电动势及其应用（10学时）

一、知识点群

●可逆电池、可逆电极

●电动势的测定

●可逆电池的热力学

●电极电势

●电动势测定应用

二、教学内容与教学方法

教学内容

9.1可逆电池和可逆电极

可逆电池可逆电极和电极反应

9.2电动势的测定

对消法测电动势标准电池

9.3可逆电池的书写方法及电动势的取号

9.4可逆电池的热力学

9.5电动势产生的机理

电极与电解质溶液界面间电势差的形成接触电势与液接触电势电动势的产生

9.6电极电势和电池的电动势

标准电极电位电池电动势的计算内电位与外电位

9.7电动势测定的应用

求电解质溶液的平均活度因子求难溶盐的活度积pH的测定

9.8内电位、外电位和电化学势

教学方法

教师讲授和引导学生共同思考方式。

三、教学目标

本章讨论了热力学函数ΔG、ΔH、ΔS与电动势的关系以及电动势产生的机理，电动势的计算应用。

须掌握形成可逆电池的必要条件、可逆电池的类型和电池的书面表示方法，能熟练、正确地写出电极反应和电池反应；了解对消法测电动势的基本原理和标准电池的应用；在正确写出电极和电池反应的基础上，熟练运用Nernst方程计算电极电势和电池的电动势；了解电动势产生的基里和氢标准电极的作用；掌握热力学与电化学之间的联系，会利用电化学测定的数据计算热力学函数的变化值；熟悉电动势测定的主要应用，会从可逆电池测定数据计算平均活度因子、竭力平衡常数和溶液的pH等。

第十章电解与极化作用（5学时）

一、知识点群

●分解电压

●极化、浓差极化、电化学极化

●极化曲线

●氢超电势

●电解的应用

二、教学内容与教学方法

教学内容

10.1分解电压

10.2极化作用

浓差极化电化学极化氢超电势

10.3电解时电极上的竞争反应

金属的析出与氢的超电势金属离子的分离金属的电化学腐蚀、防腐与钝化

10.4金属的电化学腐蚀、防腐与金属的钝化

10.5*化学电源

燃料电池蓄电池

10.6电有机合成简介

教学方法

教师课堂讲授为主，辅以学生自由讨论、自学。

三、教学目标

本章主要介绍了通电使体系发生了化学变化及电解作用的一些规律，对于有电流通过时电极上的极化作用也作了介绍。

学习的重点和难点是极化作用以及电极极化的原因，此外还要了解分解电压的意义、超电势的概念、计划作用的种类；了解极化曲线，清楚电解池与原电池的极化曲线的异同点、各自的缺点及可利用之处；了解电解的一般过程及其应用，例如能用计算的方法判断两个电极上首先反应的物质；了解金属腐蚀的类型及常用的防止金属腐蚀的方法等。

第十一章化学动力学基础

（一）（10学时）

一、知识点群

●化学动力学

●化学反应速率

●基元反应、非基元反应

●反应级数、一级反应、二级反应、三级反应、零级反应

●阿伦尼乌斯公式

●活化能

二、教学内容与教学方法

教学内容

11.1化学动力学的任务和目的

11.2化学反应速率的表示法

11.3化学反应的速率方程

基元反应和非基元反应反应的级数、反应分子数和反应的速率常数

11.4具有简单级数的反应

一级反应二级反应三级反应零级反应和准级反应反应级数的测定法

11.5几种典型的复杂反应

对峙反应平行反应连续反应

11.6基元反应的微观可逆性原理

11.7温度对反应速度影响

阿仑尼乌斯理论表现活化能

11.8关于活化能

活化能的概念活化能与温度的关系活化能的估算

11.9链反应

11.10拟定反应机理的一般方法

教学方法

教师课堂讲授为主，辅以学生自由讨论、自学。

三、教学目标

掌握宏观动力学的一些基本概念，如反应速率的表示方法，什么是基元反应和非基元反应？

什么是反应级数、反应分子数和速率常数等；掌握具有简单级数反应（如一级、二级和零级）的特点，不但会从试验数据中利用各种方法判断反应级数，还要能熟练得利用速率方程计算速率常数、半衰期等；掌握三种典型的复杂反应（对峙反应、平行反应、连续反应）的特点，学会使用合理的近似方法作一些简单的计算；掌握温度对反应速率的影响；掌握阿伦尼乌斯经验式的各种表示形式，知道活化能的含义及其对反应速率的影响，掌握活化能的求算方法。

第十二章化学动力学基础

（二）（5学时）

一、知识点群

●碰撞理论

●过渡态理论

●单分子反应理论

●笼效应、原盐效应

●光化学反应

二、教学内容与教学方法

教学内容

12.1碰撞理论

双分子的互碰频率和速率常数的推导概率因子

12.2过渡态理论

势能面有过渡态理论计算反应速率常数

12.3单分子反应理论

12.5在溶液中进行的反应

溶剂对反应速率的影响-笼效应原盐效应

12.7光化学反应

光化学反应与热化学反应的区别光化学反应的初级过程和次级过程光化学最基本定律量子产率光化学反应动力学光化学平衡和热化学平衡

12.9催化反应动力学

教学方法

教师课堂讲授为主，辅以学生自由讨论、自学。

三、教学目标

了解目前较常用的反应速率理论，特别是对碰撞理论和过渡态理论，要知道它们分别采用的模型、推导过程中引进的假定、计算速率常数的公式及理论的优缺点。

会利用这两个理论来计算一些简单反应的速率常数，掌握活化能、阈能和活化焓等能量之间的关系；了解溶液反应的特点和溶剂对反应的影响，会判断离子强度对不同反应速率的影响（及原盐效应），了解扩散对反应的影响；了解光化学反应的基本定律、光化学平衡与热化学平衡的区别以及这类反应的发展趋势和应用前景。

第十三章表面物理化学（7学时）

一、知识点群

●表面自由能及表面Gibbs自由能

●拉普拉斯公式

●溶液的表面吸附--Gibbs吸附公式

●液-液界面的性质

●液-固界面-----润湿作用

●表面活性剂

●吸附等温线、Langmuir等温式

●化学吸附和物理吸附

二、教学内容与教学方法

教学内容

13.1表面自由能及表面Gibbs自由能

表面张力表面热力学的基本公式界面张力与温度的关系溶液的表面张力与溶