化学热力学在相变化过程的应用
化学热力学在相变化过程的应用
【关键词】化学热力学;物理化学;相变化;可逆
物理化学又称为理论化学，它主要利用数学、物理学等基础科学的理论和实验方法来研究化学变化的基本规律。
化学热力学是物理化学的一个重要组成部分， 而热力学第一定律和热力学第二定律又是化学热力学的基础理论，它们分别赋予解决物理变化或化学反应过程中的能量转换以及过程方向、限度的问题。
所以，学习好以两个定律为基本内容的化学热力学，掌握好热力学处理问题的方法，是学习好物理化学课的前提和保证。
但由于这一部分理论性强，公式多，比较抽象，尤其是化学热力学在相变化过程中的应用，学生在学习过程中普遍感到比较费力。针对这种情况，作者根据自己多年的教学经验，对化学热力学在相变化过程中的应用进行分析总结，希望对学者和教者能有所帮助。
1.热力学的两大基本定律[1-2]
化学热力学是研究化学反应过程中能量相互转换所遵循的规律的科学，其主要内容是三个热力学定律。热力学基本定律主要有第一定律，第二定律及第三定律。
热力学第一定律主要是关于能量转化的定律，也叫能量守恒定律。对于封闭系统，热力学第一定律的数学表达式：
热力学第一定律涉及到热力学能、热和功相互转化的'关系，即封闭系统热力学能的改变量等于过程中环境传给系统的热及功的总和。
热力学第二定律是关于热能与其他能量形式之间转化的特殊规律，即关于热力学过程进行方向和限度的判据的定律。它从介绍自发过程不可逆性的具体事例出发，给出了热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述。热力学第二定律的数学表达式：
式中对可逆过程采用等号，对不可逆过程采用不等号，与不等号相反的关系是违背热力学第二定律的。
热力学第三定律从有序和无序的角度对熵值进行了明确规定，这样就可以计算物质在一定状态下的规定熵。热力学第三定律的数学式表述：纯物质、完美晶体、0K时的熵为零，即
S*(完美晶体，0K)=0
热力学基本定律都是人类在长期的生产生活实践基础上总结出来的，它们的理论以及它的推论被一切实验和具体实践证明是正确的，在工业生产和新工艺的开发上具有重要的指导意义。
2.热力学基本定律在相变化过程的应用
相变化过程是指系统中发生的聚集态的变化过程。如液体的汽化，气体的液化，液体的凝固、固体的熔化、固体的升华、气体的凝华以及固体的不同晶型间的转化等。对于相变化过程来说，它又分为可逆相变和不可逆相变。
2.1可逆相变
平衡温度，压力下的相变称为可逆相变。
例：已知在100℃，101.325kPa时，1molH2O(1)全部蒸发成水蒸气吸热40.668kJ。求在100℃，101.325kPa下使1kg水蒸气全部凝结成液体水时的Q、W、ΔU、ΔH、ΔS、A及ΔG。设水蒸气为理想气体，液体水的体积可以忽略不计。
经分析题意可知该过程在100℃，101.325kPa下由水蒸气变为等温等压下的液态的水，为可逆相变过程。
解：
在解题过程中注意：(1)物理量字母符号的写法要与国标或教材相一致，勿乱用符号或自创符号。(2)在将数据代入式子时要始终注意其单位，一般均应用国际单位。(3)计算过程中还需特别留意正负号，不能随意添加或丢弃。
2.2不可逆相变
非平衡温度，压力下的相变是不可逆的相变过程。对不可逆相变过程来说，由于△U，△H，△S，△A和△G为状态函数，其数值由仅系统的始、末态决定，故可在始、末态之间设计一条可逆途径来求算，并且在所设途径中，应包含有与已知的热数据相应的可逆相变过程。
设计可逆途径的原则：
(1)途径中的每一步必须可逆;
(2)途径中每步的△H，△S计算有相应的公式可利用;
(3)有相应于每步△H，△S计算式所需的数据。
例：已知水的正常沸点是100℃，摩尔蒸发焓
求下列过程的ΔU，ΔH，ΔS，ΔA及ΔG。
1molH2O(l，60℃，101325Pa)
→1molH2O(g，60℃，101325Pa)
经分析题意可知欲求的60℃、101325Pa下水的蒸发过程是不可逆的相变过程，因而需在该物系的始、末态间设计一条由100℃、101325Pa的可逆相变和两个单纯变温过程组成的可逆途径求其ΔH、ΔS、ΔA及ΔG。
解：
1molH2O(l，60℃，101325Pa)
→1molH2O(g，60℃，101325Pa
1molH2O(l，100℃，101325Pa)
→1molH2O(g，100℃，101325Pa)
此外，当已知某物质在时的和，欲求其在另一温度下时的物理量，可直接用下式计算：
结语
本文通过阐述热力学中两大定律，弄清热力学中能量衡算问题和过程进行方向及限度问题，并通过例题的讲解及分析讨论，使学生对化学热力学及其在相变化过程中的应用有了比较明确的认识和理解，使学生在解决问题时能应用自如。
【参考文献】
[1]傅献彩，沈文霞，姚天扬.物理化学(第五版，上册)[M].北京：高等教育出版社，2006：95-178.
[2]刘俊吉，周亚平，李松林.物理化学(第五版，上册)[M]北京：高等教育出版社，2009：35-143.
【化学热力学在相变化过程的应用】相关文章：
教育技术在化学教学中的应用论文10-29
探究式教学在化学教学中的应用论文10-23
实验设计在化学教学中的应用论文10-21
范例教学在初中化学教学的应用论文03-27
头脑风暴法在化学教学中的应用论文10-24
游戏化教学在高中化学的应用的论文03-27
液相色谱衍生化技术及其在环境监测中的应用02-17
油田化学的应用和化学品中的应用01-24
翻转教学在物理化学实验的应用论文10-18
生活素材在高中化学教学的应用论文03-27