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北京大学物理化学教学大纲三篇

教案一：热力学第一定律与能量守恒

课题名称

能量的转化密码：热力学第一定律的理论建构与应用

一、教学目标

1.知识目标

理解热力学系统与环境的分类（孤立系统、封闭系统、开放系统）

掌握热力学第一定律的数学表达式（ΔU=Q+W）及物理意义

辨识功（W）与热（Q）的符号规定（系统吸热/做功的正负号定义）

2.技能目标

能计算简单过程的焓变（ΔH）与内能变化（ΔU）

学会应用盖斯定律计算复杂反应的热效应

培养热力学循环过程的分析能力（如卡诺循环的能量转化效率）

3.科学思维

建立能量守恒的系统思维与定量分析能力

体会热力学在化学反应热计算中的工程应用价值

二、教学重点与难点

重点

①焓（H）的定义（H=U+pV）及等压热效应（Qp=ΔH）的推导

②可逆过程与不可逆过程的本质区别（能量耗散的微观机制）

难点

①内能（U）作为状态函数的理解（与路径无关性的数学证明）

②节流膨胀过程（Joule-Thomson效应）的热力学分析

三、教学方法

讲授法、案例分析法、公式推导法

四、教学过程

（一）能量守恒导入（10分钟）

1.生活案例

展示汽车发动机能量流向图，提问：

汽油燃烧的化学能如何转化为机械能？能量守恒定律如何体现？

播放焦耳热功当量实验动画，强调热力学第一定律的实验基础

2.概念辨析

对比热与功：热是分子无序运动的能量传递，功是分子有序运动的能量传递

（二）课本讲解：核心理论解析（20分钟）

1.教材内容模拟

热力学第一定律核心内容：

①数学表达式：ΔU=Q+W

（系统内能变化等于吸收的热量加上环境对系统做的功）

②焓的定义：H=U+pV

等压条件下（p恒定），ΔH=Qp

③热容定义：C=δQ/dT，定容热容Cv=(?U/?T)v，定压热容Cp=(?H/?T)p

知识点分析

符号约定：系统吸热Q0，放热Q0；环境对系统做功W0，系统对外做功W0

状态函数特性：U、H仅与始末状态有关，ΔU=U2-U1，与路径无关

公式推导：等压过程W=-pΔV，故ΔH=ΔU+pΔV=Qp

2.案例解析

分析合成氨反应的焓变计算：N?+3H?→2NH?，ΔH=ΣH(产物)-ΣH(反应物)

（三）分层训练与实践（60分钟）

1.公式推导（20分钟）

**任务1：焓变与内能变化关系推导

①推导ΔH=ΔU+Δ(pV)，讨论气体反应中Δ(pV)的近似处理（理想气体Δ(pV)=ΔnRT）

②例题：2molH?在定压下从25℃升温至100℃，计算ΔH（Cp=29.1J/(mol?K)）

2.热效应计算（20分钟）

**任务2：盖斯定律应用

①给定反应1:C+O?→CO?ΔH?=-393.5kJ

反应2:CO+1/2O?→CO?ΔH?=-283.0kJ

求反应3:C+1/2O?→CO的ΔH?（ΔH?=ΔH?-ΔH?=-110.5kJ）

3.循环过程分析（20分钟）

**任务3：卡诺循环效率计算

①讲解卡诺循环四步：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩

②推导效率η=1-T?/T?，讨论高温热源与低温热源温差对效率的影响

（四）互动交流：热力学思辨会（15分钟）

1.**问题1：为什么焓变等于等压热效应？（预留5分钟讨论）

参考答案

①等压条件下p外=p系统=常数，W=-pΔV

②根据热力学第一定律ΔU=Qp+W=Qp-pΔV

③焓H=U+pV，故ΔH=ΔU+pΔV=Qp，得证

2.**问题2：内能是绝对量还是相对量？如何确定内能的绝对值？（预留10分钟讨论）

参考答案

①内能是状态函数，但绝对值无法直接测定，通常计算其变化量ΔU

②可通过热化学实验测量Q和W，间接求得ΔU

③类比海拔高度：我们关注高度差而非绝对高度，内能同理

五、教材分析

本课参考傅献彩《物理化学》第四章，教材详细推导热力学公式但缺乏工程案例。教学时需补充热电厂能量转化效率计算，通过实际反应热数据强化公式应用，重点解决状态函数抽象符号规定混淆的问题。

六、作业设计

基础作业

a.简述热力学第一定律的两种表述方式（能量守恒角度与数学表达式）

b.计算1mol理想气体在定容下从300K升温至400K的ΔU（Cv=20.8J/(mol?K)）

拓展作业

查阅文献，整理不同温度下H?的定压热容数据，分析温度对Cp的影响规律

七、结语

今天我们揭开了能量转化的热力学面纱，从焦耳的热功当量实验到焓变的工程应用，每一个公式