物理化学多媒体电子教案(与南京大学化学化工学院编写《物理化学》第五版配套).pptVIP

热力学能 设在一个封闭的近独立子体系(粒子之间相互作用能很少）中，粒子的总数为N，分布在能量不同的 个能级上，在 能级上的粒子数为 ，则有： 对（2）式微分，得： 对照宏观的第一定律， 就可找出 和 与微观量的对应关系。 功 项是各能级上粒子数不变，能级升高或降低所引起的热力学能的变化值。 根据物理中的力学性质，在力 的作用下，使体系边界在 方向上发生了 的位移，则所作的功为： 则总的功为： 功 由于体系与环境有了功的交换，体系的能量就会变化。物理学中的能量梯度就是力（力的正、负号取决于作用的方向），则 当粒子的能量坐标改变时，环境对分布在各能级上的 个粒子所作的总功为： 热 项代表热，说明能级保持不变，而各能级上的粒子数发生改变。 体系在吸热时，分布在高能级上的粒子数增多，在低能级上的粒子数减少；放热时，分布在高能级上的粒子数减少而在低能级上的粒子数增多。 热和功微观说明示意图 图（a）是某热力学体系在平衡态时的正常分布。 纵坐标表示能量，若干水平线表示能级。 横坐标表示粒子数，能级线段的长短表示粒子数的多少。 热和功微观说明示意图 当体系吸热时，高能级上的粒子数增多，低能级上粒子数减少，但能级未变，最后分布如红线所示。 体系放热时，情形刚好相反，如兰线所示。 热和功微观说明示意图 当环境对体系作功时，体系能级升高，而各能级上的粒子数未变，如红线所示，相当于分布图往上平移。 当体系对外作功时，则分布图将向下平移。 热容 热力学能是粒子内部能量的总和，主要包括平动(t)、转动(r)、振动(v)、电子(e)和核(n)等能量的总和。 所以CV也是各种运动方式所贡献的总和： 由于电子和核的能级间隔大，通常温度下都处于基态，它们对CV的贡献一般可以忽略，则CV的表示式为： 定容热容CV与热力学能的关系为： 运动自由度 物理学中把决定物体在空间位置所需的独立坐标数称为自由度。 而转动、振动的自由度随组成分子的原子数和结构不同而不同。 平动自由度均等于3； 对于含n个原子的分子，共有3n个自由度。 运动自由度 平动自由度 转动自由度 振动自由度 分子种类 单原子分子 3 0 0 双原子分子 3 2 1 线性多原子分子 3 2 3n-5 非线性多原子分子 3 3 3n-6 单原子分子的平动能 单原子分子近似可看作刚性球。在直角坐标上，它的平动可分解为x, y, z三个方向的运动。 在 x 方向的平动能的平均值 为： 根据气体分子运动论和Maxwell的速率分布公式，在x方向的速度平方的平均值 为： 所以 单原子分子的平动能 同理 则单原子分子的总平动能 为： 如果把每一个平方项称为一个自由度，则能量是均匀地分配在每一个自由度上，这就是经典的能量均分原理。 能量均分原理 经典热力学中，把每一个方向上的平均能量称为一个平方项，它对总能量的贡献为 。 一个振动自由度，动能和位能各贡献 ，所以对能量总的贡献为kT 。 对1 mol单原子气体分子，则： 能量均分原理 对1 mol双原子气体分子 低温时： 高温时： 因为振动能级间隔大，低温时振动处于基态，对能量贡献可忽略不计。 焦耳的生平 焦耳，J.P.（James Prescott Joule 1818～1889） 焦耳是英国物理学家。1818年12月24日生于索尔福。他父亲是酿酒厂的厂主。焦耳从小体弱不能上学，在家跟父亲学酿酒，并利用空闲时间自学化学、物理。他很喜欢电学和磁学，对实验特别感兴趣。后来成为英国曼彻斯特的一位酿酒师和业余科学家。焦耳可以说是一位靠自学成才的杰出的科学家。 焦耳的生平 焦耳的生平 焦耳最早的工作是电学和磁学方面的研究，后转向对功热转化的实验研究。 1866年由于他在热学、电学和热力学方面的贡献，被授予英国皇家学会柯普莱金质奖章。 1872年—1887年焦耳任英国科学促进协会主席。 1889年10月11日焦耳在塞拉逝世。 焦耳的科学成就 1.焦耳定律的发现 1840年12月，他在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文，提出电流通过导体产生热量的定律；由于不久Э.х.楞次也独立地发现了同样的定律，而被称为焦耳-楞次定律。 焦耳的科学成就 2.热功当量的测定 焦耳的主要贡献是他钻研并测定了热和机械功之间的当量关系。这方面研究工作的第一篇论文《关于电磁的热效应和热的功值》，是1843年在英国《哲学杂志》第23卷第3辑上发表的。此后，他用不同材料进行实验，并不断改进实验设计，结果发现尽管所用的方法、设备、材料各