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化学与材料基础课程

第一章 热力学第一定律:把能量账记清楚

从系统、状态函数、热和功出发,学习体积功、焓、热容、绝热过程和热化学。核心不是背公式,而是先明确系统、过程与符号约定。

开始本章挑战

完成本章挑战后,会在这里保留最近一次结果。

本章从一个问题开始

同一段能量变化,为什么换一条过程路径后热和功会变、内能却不变?

本章将系统边界、功的符号、过程条件和状态函数串成一份能量账;再把它应用到气体过程和化学反应热。

带活塞的气缸展示热传递、外界压缩做功和内能变化
自绘概念机制图。热和功都跨系统边界传递,而内能是体系状态的函数;图中采用讲义的环境对体系做功为正约定。来源:课程团队自绘;概念示意,不表达能量比例
  1. 01

    先圈系统并声明功号

  2. 02

    按过程拆分 Q 与 W

  3. 03

    用状态函数把路径结果核对回来

从“第一定律:能量守恒,但账本要统一”开始

知识点

先选一个小点开始

先把系统和符号约定写在纸上

先把系统和符号约定写在纸上

第一定律:能量守恒,但账本要统一

本讲义采用环境对体系做功为正的约定,因而封闭系统可写为 ΔU=Q+W;符号不同的教材形式可不同,守恒本身不变。

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先把系统和符号约定写在纸上

体积功与焓:恒压条件下为什么 ΔH 有用

对可逆体积功,讲义约定下 δW=−p dV;定义 H=U+pV 后,在恒压且只做体积功时有 Qp=ΔH。

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让过程条件进入计算

让过程条件进入计算

理想气体:U、H 只看温度,过程仍然要看路径

对理想气体,U=f(T)、H=f(T);这不表示每个过程都等温,而是说 ΔU 与 ΔH 可由温度变化计算。

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让过程条件进入计算

实际气体节流:等焓不等于等温

稳态绝热节流常近似为等焓过程;实际气体的温度变化由 Joule–Thomson 系数决定,理想气体的该系数为零。

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把反应放入热力学账本

把反应放入热力学账本

热化学与 Hess 定律:反应式就是焓变的单位说明书

反应焓是状态函数变化,因此可沿任意可行反应路径相加;但反应式倍乘、倒转或物态改变时,焓变也必须相应处理。

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