1、本科物理化学复习提纲华南理工大学本科物理化学复习提纲(I) (华南理工大学物理化学教研室 葛华才,2004年6月) 第一章 气体一 一 重要概念理想气体,分压,分体积,临界参数,压缩因子,对比状态二 二 重要关系式(1) 理想气体:pV=nRT , n = m/M (2) 分压或分体积: pB=cBRTp yB (3) 压缩因子: Z = pV/RT第二章 热力学第一定律与热化学 一、重要概念 系统与环境,隔离系统,封闭系统,(敞开系统),广延量(加和性:V,U,H,S,A,G),强度量(摩尔量,T,p),功,热,内能,焓,热容,状态与状态函数,平衡态,过程函数(Q,W),可逆过程,节流过程,
2、真空膨胀过程,标准态,标准反应焓,标准生成焓,标准燃烧焓二、重要公式与定义式1. 体积功:W= -p外dV2. 热力学第一定律: U = Q+W , dU =Q +W 3焓的定义: H=U + pV4热容:定容摩尔热容 CV,m = Q V /dT = ( Um/ T )V 定压摩尔热容 Cp,m = Q p /dT = ( Hm/ T )P 理性气体:Cp,m- CV,m=R ;凝聚态:Cp,m- CV,m0 理想单原子气体CV,m =3R/2,Cp,m= CV,m+R=5R/2 5. 标准摩尔反应焓:由标准生成焓 fHB (T)或标准燃烧焓 c HB (T)计算 rHm = vB fHB
3、(T) = - vB c HB (T)6. 基希霍夫公式(适用于相变和化学反应过程) rHm(T2)= rHm(T1)+ rCp,m dT 7. 恒压摩尔反应热与恒容摩尔反应热的关系式 Qp-QV = rHm(T) - rUm(T) = vB(g)RT 8. 理想气体的可逆绝热过程方程: p1V1 = p2V2 , p1V1/T1 = p2V2/T2 , =Cp,m/CV,m 三、各种过程Q、W、 U、 H 的计算1解题时可能要用到的内容(1) 对于气体,题目没有特别声明,一般可认为是理想气体,如N2,O2,H2等。 恒温过程dT=0, U= H=0, Q=W 非恒温过程, U = n CV,
4、m T, H = n Cp,m T 单原子气体CV,m =3R/2,Cp,m = CV,m+R = 5R/2(2) 对于凝聚相,状态函数通常近似认为只与温度有关,而与压力或体积无关,即 U H= n Cp,m T2 恒压过程:p外=p=常数,无其他功W=0(1) W= -p外(V2-V1), H = Qp =n Cp,m dT, U = H-(pV),Q= U-W(2) 真空膨胀过程p外=0,W=0,Q= U 理想气体(Joule实验)结果:dT=0,W=0,Q= U=0, H=0(3) 恒外压过程: 例1: 1mol 理想气体于27 、101325Pa状态下受某恒定外压恒温压缩到平衡,再由该
5、状态恒容升温到97 ,则压力升到1013.25kPa。求整个过程的W、Q、 U及 H。已知该气体的CV,m 恒定为20.92Jmol-1 K-1。 解题思路:需先利用理想气体状态方程计算有关状态: (T1=27, p1=101325Pa,V1)(T2=27, p2=p外=?,V2=?)(T3=97, p3=1013.25kPa,V3= V2) 首先计算功W,然后计算 U,再计算Q, H。3. 恒容过程 :dV=0 W=0,QV = U =n CV,mdT, H= U+V p 4绝热过程:Q=0(1) 绝热可逆过程 W=-pdV = U =n CV,mdT , H= U+ pV 理想气体:p1V
6、 = p2V , p1V T1= p2V T2(2) 绝热一般过程:由方程W =-p外dV = U = n CV,m dT 建立方程求解。5节流过程(等焓过程): H=0,Q=0 焦耳-汤姆逊系数 J-T = ( T/p)H,理想气体J-T =0,实际气体J-T 06. 相变过程S()S():(1) 可逆相变(正常相变或平衡相变):在温度T对应的饱和蒸气压下的相变,如水在常压下的0 结冰或冰溶解,100 时的汽化或凝结等过程。 由温度T1下的相变焓计算另一温度下的相变焓T Hm(T2)= Hm(T1)+ Cp,m dT (2) 不可逆相变:利用状态函数与路径无关的特点,根据题目所给的条件,设计
7、成题目给定或根据常识知道的(比如水的正常相变点)若干个可逆过程,然后进行计算。 例2:水在 -5 的结冰过程为不可逆过程,计算时要利用0 结冰的可逆相变过程,即 H2O(l,1 mol,-5 ,p) H2O(s,1 mol,-5,p) H2 H4 H2O(l,1 mol, 0,p H2O(s,1 mol,0,p)7化学过程:标准反应焓rHm的计算(1) 由298.15K时的标准摩尔生成焓或标准摩尔燃烧焓计算标准摩尔反应焓, rHmvB fHm(B) vB cHm(B)再利用基希霍夫公式计算另一温度T时的标准反应焓。 注意:生成反应和燃烧反应的定义,以及标准摩尔生成焓或标准摩尔燃烧焓存在的联系。
8、 例如 H2O(l)的生成焓与H2的燃烧焓,CO2 的生成焓与C(石墨)的燃烧焓数值等同。 (2)一般过程焓的计算:基本思想是(1),再加上相变焓等。 (3)燃烧反应系统的最高温度计算:整个系统作为绝热系统看待处理由系统焓变 H=0 建立方程计算。第三章 热力学第二定律一、重要概念 卡诺循环,热机效率,熵,摩尔规定熵,标准熵,标准反应熵,亥姆霍兹函数,吉布斯函数二、主要公式与定义式1. 热机效率: = -W / Q1 =(Q1+Q2)/ Q1 = 1 - T2 / T1 (T2 , T1 分别为低温,高温热源)2卡诺定理:任何循环的热温熵小于或等于0 Q1 / T1 + Q2 / T2 0 克
9、老修斯(R.Clausius) 不等式: SQr / T 3熵的定义式:dS = Qr / T 4亥姆霍兹(helmholtz)函数的定义式: A=U-TS5吉布斯(Gibbs)函数的定义式:G=H-TS,G=A+pV6热力学第三定律:S*(0K,完美晶体)= 07过程方向的判据:(1) 恒T、恒p、W =0过程(最常用):dG0,自发(不可逆); S(隔离)=0,平衡(可逆)。(3) 恒T、恒V、W =0过程: dA 0故为不可逆过程。第四章 多组分系统热力学一、重要概念 混合物(各组分标准态相同)与溶液(分溶剂和溶质,标准态不同), 组成表示:物质B的摩尔分数xB、质量分数wB、(物质的量
10、)浓度cB、质量摩尔浓度bB,理想稀溶液,理想液态混合物,偏摩尔量(X/nB)T, p, nc,化学势B,稀溶液的依数性,逸度与逸度系数,活度与活度系数二、重要定理与公式1拉乌尔定律:稀溶液溶剂 pA = pA*xA 或 pA = pA* aA2亨利定律:稀溶液溶质 pB = k xB或pB = k aB3稀溶液的依数性:(1) 蒸气压下降: pA = pA* - pA = pA* xB (2) 凝固点降低: Tf =Kf bB,Kf 溶剂有关的凝固点降低常数(3) 沸点升高: Tb =Kb bB ,Kf 溶剂有关的沸点升高常数(4) 渗透压:在半透膜两边的平衡压力差 B = cBRT4. 化
11、学势定义 GB =( G/ nB)T,p,ncnB (1)理想气体的化学势 = +RTln(p/p )(2)分配定律:在T,P下,某溶质B在溶剂A构成的两相达到平衡时有 cB()/cB() =K(T,p)(3) 实际气体的化学势与逸度 = +RTln(B/p ) 其中逸度因子 B = B / pB ,理想气体B =1。5过程方向判据:dT=0,dp=0,W=0时(1) 相变过程:自发过程方向 0。 (2) 化学反应:恒温恒压下自发过程方向 vBB 0。6. 理想液态混合物的性质理想液态混合物:任一组分在全部组成范围内都符合拉乌尔定律的混合物。(1) 化学势 = +R T ln x 恒T,p混合
12、过程的变化量 mixV=0, mixH=0, mixS= -nR xBlnxB, mixG= mixH - T mixS = nRT xBlnxB,7. 真实液态混合物:浓度用活度代替 = +R T ln a 其中a = fB xB, fB 活度因子。若知气相B的分压,则a = p / p , fB a /xB = p / p xB 8. 真实溶液:浓度用活度代替 溶剂: = A +R T ln a = A R T MAb 其中渗透因子定义为: ln a / MAb 溶质: = B +R T ln aBaB = B bB / b ,活度因子 B三、常见的计算题型1根据稀溶液的性质作依数性等方面
13、的计算2在相平衡一章中常用拉乌尔定律和亨利定律。3典型题形例1(99年题):已知甲苯的摩尔质量为 9210-3 kgmol-1,沸点为383.15K,平均摩尔气化焓为 33.84kJmol-1;苯的摩尔质量为 7810-3 kgmol-1,沸点为353.15K,平均摩尔气化焓为 30.03kJmol-1。有一含苯 100g 和甲苯 200g 的理想液态混合物,在373.15K,101.325 kPa下达气液平衡。求(1) (1) 373.15K 时苯和甲苯的饱和蒸气压;(2) (2) 平衡时液相和气相的组成;(3) (3) 由两组分物质形成该理想液态混合物时的混合焓和混合熵。(10分)解: (
14、1) 求p*(苯)和p*(甲苯),可由克-克方程: 得 p*(苯)=175.30kPa同理 p*(甲苯)=76.20kPa(2) (2) 液相组成及气相组成可由拉乌尔定律求得:p(总) = p*(苯) x(苯)+p*(甲苯) 1-x(苯)x(苯) = p(总) - p*(甲苯) / p*(苯) - p*(甲苯) =(101.325-76.20)kPa /(175.30-76.20)kPa =0.2535x(甲苯)=1 - x(苯) = 1- 0.2535 = 0.7465y(苯)= p*(苯)x(苯)/ p(总) = 175.30kPa0.2535/101.325kPa = 0.4386y(甲
15、苯)=1- y(苯)=1 - 0.4386 = 0.5614(3) (3) mixH = 0n(苯)=100g/(78gmol-1)=1.282moln(甲苯)=200g/(92gmol-1)=2.174mol mixS = - R n(苯)lnx(苯) + n(甲苯) ln x(甲苯) = - 8.3145 Jmol-1K-1(1.282ln0.2535+2.174ln0.7465) mol = 19.91 JK-1例2. 1kg 纯水中,溶解不挥发性溶质B 2.22g,B在水中不电离,假设此溶液具有稀溶液的性质。已知B的摩尔质量为111.0gmol1, 水的Kb=0.52Kmol1kg,v
16、apHm(H2O) = 40.67 kJ mol1 为常数,该溶液的密度近似为1 kgdm3。试求:(10分)(1) 此溶液的沸点升高值。(2) 此溶液在25 时的渗透压。(3) 纯水和此溶液25时的饱和蒸气压。已知纯水100的饱和蒸气压为101325Pa。解:(1) bB=(2.22g/111.0 gmol1)/1kg=0.02molkg1 Tb=KbbB=0.52Kmol1kg0.02molkg1 =0.01K(2) cBbB 0.02molkg11 kgdm3=0.02moldm3 = cB RT=0.021000 molm38.315JK1mol1298.15K=49.58kPa(3) 已知T=373.15K时水饱和蒸气压p101325Pa,利用克克方程求T=298.15K时的饱和蒸气压p:ln(p/p)= vapHm(H2O)/R(1/T1/T)ln(p/101325Pa)=(40670 Jmol1/8.315JK1m
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