大學物理化學經典課件11目錄contents緒論熱力學第一定律熱力學第二定律化學動力學基礎電化學基礎表面現象與膠體化學201緒論3研究對象物理化學是研究物質的物理現象和化學變化之間關系的科學，主要探討物質的結構、性質、能量轉化以及化學反應的機理和動力學等方面的問題。任務物理化學的任務在于揭示物質的基本性質和變化規律，為化學、物理、生物、醫學、材料科學等學科提供理論基礎和實驗手段，同時為解決環境、能源、信息等社會問題提供科學依據。物理化學的研究對象與任務4理論方法在實驗研究的基礎上，物理化學運用數學、物理學等理論工具建立模型和理論，對實驗現象進行解釋和預測。實驗方法物理化學研究以實驗為基礎，通過實驗手段觀測和測量物質的各種物理和化學性質，探究物質的結構和變化規律。計算方法隨著計算機技術的發展，計算模擬已經成為物理化學研究的重要手段之一。通過計算模擬可以更加深入地理解物質的微觀結構和反應機理。物理化學的研究方法5物理化學起源于19世紀，當時科學家們開始運用物理學理論和方法研究化學問題。經過一個多世紀的發展，物理化學已經成為化學學科中一門重要的分支學科。歷史隨著科學技術的不斷進步，物理化學的研究領域也在不斷擴展和深化。例如，納米科學、生物物理化學、光化學等交叉學科的發展為物理化學研究提供了新的思路和方法。同時，物理化學的理論和實驗技術也在不斷創新和發展，推動著整個學科的進步。發展物理化學的歷史與發展602熱力學第一定律703過程與途徑過程是指系統從一個狀態變化到另一個狀態所經歷的一系列中間狀態。途徑則是描述過程的具體方式。01系統與環境熱力學系統是指所要研究的對象，環境則是與系統相互作用的其他部分。02狀態與狀態函數系統的狀態是指其宏觀性質，如溫度、壓力、體積等。狀態函數則是描述系統狀態的物理量。熱力學基本概念8123熱量是系統與環境之間由于溫度差而傳遞的能量，功則是系統與環境之間由于力作用而傳遞的能量。熱量與功系統內所有分子的動能和勢能之和稱為內能。內能熱量和功的代數和等于系統內能的增量。即ΔU=Q+W，其中ΔU表示內能增量，Q表示吸收的熱量，W表示對外做的功。熱力學第一定律熱力學第一定律的表述9熱力學第一定律的應用等容過程體積不變的過程，此時ΔV=0，W=0。因此，等容過程中吸收的熱量全部轉化為內能增量。等壓過程壓力不變的過程，此時ΔP=0。等壓過程中，吸收的熱量一部分用于增加內能，另一部分用于對外做功。絕熱過程系統與環境之間沒有熱量交換的過程。絕熱過程中，內能的變化只能通過做功來實現。循環過程系統從某一狀態出發，經過一系列變化后回到原始狀態的過程。循環過程中，內能的變化為零，吸收的熱量等于對外做的功。1003熱力學第二定律11熱力學第二定律的表述01不可能從單一熱源吸熱并全部用來做功，而不引起其他變化。02對于可逆過程，系統和外界的熵不變；對于不可逆過程，系統的熵增加，這就是熵增加原理。自然界中的一切自發過程都具有方向性，即不可逆性。0312010203熵是描述系統混亂程度的物理量，用符號S表示。熵增原理指出，在孤立系統中，一切不可逆過程必然朝著熵增加的方向進行。熵增原理揭示了自然界中不可逆過程的普遍規律，如熱傳導、擴散、化學反應等。熵與熵增原理13熱機效率01熱力學第二定律指出了熱機效率的極限，即卡諾熱機的效率。制冷系數02熱力學第二定律也適用于制冷機，制冷系數同樣受到卡諾制冷機的限制。生態系統和人類社會03熱力學第二定律對于理解生態系統和人類社會的演化和發展也具有重要意義。例如，資源的耗竭、環境的污染等問題都可以從熱力學第二定律的角度進行分析和討論。熱力學第二定律的應用1404化學動力學基礎15反應機理描述化學反應如何進行，包括反應物如何相互作用形成中間產物，以及中間產物如何進一步反應生成最終產物。反應速率方程表示反應速率與反應物濃度的關系，通常通過實驗測定得到。化學反應速率表示反應進行的快慢程度，通常用單位時間內反應物濃度的減少或生成物濃度的增加來表示。化學反應速率與反應機理16活化能與反應速率的關系描述活化能與反應速率常數之間關系的經驗公式，可用于預測不同溫度下的反應速率。阿累尼烏斯方程指化學反應發生所需的最小能量，即反應物分子從初始狀態到過渡態所需的能量。活化能活化能越低，反應速率越快；活化能越高，反應速率越慢。這是因為低活化能意味著反應物分子更容易達到過渡態，從而更容易發生反應。活化能與反應速率的關系17能夠加速化學反應速率而自身不參與反應的物質。催化劑通過提供新的反應路徑或降低活化能，使反應更容易進行。催化劑與反應物形成中間產物，然后中間產物分解生成最終產物和催化劑本身。催化劑的作用機理催化劑可以顯著提高反應速率，降低反應的活化能，使反應在更溫和的條件下進行。同時，催化劑還可以提高反應的選擇性，使得目標產物的生成更加高效。催化劑對反應速率的影響催化劑對反應速率的影響1805電化學基礎19通過自發進行的氧化還原反應將化學能轉化為電能。正極發生還原反應，負極發生氧化反應，電子通過外電路從負極流向正極，形成電流。原電池工作原理在外加電源作用下，電解質溶液中的陰陽離子分別向兩極遷移并在電極上發生氧化或還原反應。陽極發生氧化反應，陰極發生還原反應，從而實現電能向化學能的轉化。電解池工作原理原電池與電解池的工作原理20電極電勢的測定通過測量原電池的開路電壓，利用能斯特方程計算得到電極電勢。常用的電極電勢測量方法有靜態法和動態法。電池電動勢的測定通過測量原電池的閉路電壓和電流，利用歐姆定律計算得到電池的內阻，進而求得電池的電動勢。常用的電池電動勢測量方法有電位差計法和補償法。電極電勢與電池電動勢的測定21電池電化學在電池中的應用非常廣泛，如干電池、蓄電池、燃料電池等。電池是將化學能轉化為電能的裝置，為人們的日常生活提供了便利。電解與電鍍利用電解原理可以實現很多有用的化學反應，如電鍍、電解精煉、電解合成等。電鍍是將金屬離子在陰極上還原成金屬并沉積在陰極表面的過程，可以改變金屬表面的性質和外觀。腐蝕與防護電化學腐蝕是金屬腐蝕的主要原因之一，通過了解電化學腐蝕的機理可以采取相應的防護措施，如涂層保護、陰極保護等，延長金屬的使用壽命。電化學在日常生活中的應用2206表面現象與膠體化學23表面張力與潤濕現象表面張力是液體表面層由于分子引力不均衡而產生的沿表面作用于任一界線上的張力。潤濕現象及其分類潤濕現象是指液體與固體接觸時，液體的附著層沿固體表面延伸或收縮的現象。根據潤濕程度的不同，可分為沾濕、浸濕和鋪展三種類型。接觸角和潤濕方程接觸角是氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線與固-液交界線之間的夾角，是潤濕程度的量度。潤濕方程則描述了接觸角與界面張力之間的關系。表面張力的定義和物理意義24吸附現象及其分類吸附現象是指物質在相界面上的濃度自動發生變化的現象。根據吸附質與吸附劑之間作用力的不同，可分為物理吸附和化學吸附。表面活性劑的結構與性質表面活性劑是一種具有兩親性質的有機化合物，其分子結構由親水基團和疏水基團組成。表面活性劑能顯著降低溶液的表面張力，改變體系的界面狀態。表面活性劑的應用表面活性劑在日常生活和工業生產中有著廣泛的應用，如洗滌劑、乳化劑、泡沫劑、分散劑等。010203吸附現象與表面活性劑25膠體溶液的定義和分類膠體溶液是一種高度分散的多相體系，其中分散相粒子的直徑在1~100nm之間。根據分散相粒子與分散介質之間相互作用的不同，可分為親液膠體和疏液膠體。膠體溶液的穩定性與聚沉膠體溶液的穩定性取決于粒子間的相互作用力以及粒子與分散介質之間的相互作用。當粒子間的相互作用力大于粒子與分散介質之間的相互作用時，膠