物理化学中化学热力学的教与学

本文始终抓住“基本概念、基本公式、基本条件”这个纲，从教与学不同的角度，讲述了公式的推导和应用。采用一种易于理解的从一般能量项的分解表达入手的推理方式，导出若干重要的热力学基本函数，随后再介绍其应用和历史发展沿革，竭力把握其知识精髓。引导学生自学，达到提高学生的创新精神和创新能力的目的。

化学热力学 基本公式 基本函数 应用

1 前言

热力学属于物理化学研究范畴，而物理化学是化学的分支学科。化学乃自然科学之中心科学之一，是人类须臾不能离开的科学领域。

热力学是研究体系所涉及的热与其它形式的能量间转换关系的一门科学。把热力学的基本原理用来研究体系中发生的化学现象及与之相关的物理现象的科学，被称作化学热力学。传统意义上，它与化学动力学和物质结构一起成为物理化学的三大组成部分。本篇仅就化学热力学展开讨论。

化学热力学所要解决的核心问题是，在指定条件下，一个热力学体系中发生的过程变化的方向和限度（即平衡）问题。解决这种问题的基础是热力学的三大定律——热力学第一定律、第二定律、第三定律，它们是人类经验（实验）的高度概括和总结。由它们导出的结论和结果的正确性和可靠性，古今中外还没有遇到过任何例外。化学热力学理论已被广泛应用于自然科学的若干学科领域。应用热力学理论解决问题，不仅结论正确，结果可靠，而且解决问题的过程和方式也十分简洁。这里，核心和关键之处是要准确把握和正确应用热力学的基本概念和热力学的基本关系式及其适用条件。

然而，迄今为止，国内外学生在学习化学热力学课程时普遍感到困难。一是对热力学的一些概念和理论感到难于理解（最难之处莫过于对熵函数概念的理解和把握）；二是对热力学理论精髓的把握，尤其是对各种热力学条件下热力学函数的计算及其应用的把握，朦朦胧胧；三是让理应得到的创新思维和创新能力的培养湮灭在苦苦挣扎的概念理解和把握中。造成这种状况的主要原因，可能既源于热力学若干概念和理论本身的抽象，在某种意义上也似乎源于我们在这门课程的教材内容设计及授课方式上的“刻板”和对某些基本热力学量之物理意义的解释过于“肤浅”（未能完全做到随时与“能量或能量变化”这一核心丝丝紧扣和巧妙关联）。有鉴于此，本篇企图在这一教、学领域的突破方面做一点探索和尝试。这主要包括：（1）力求紧紧围绕“热力学过程变化方向和平衡条件的评判——能量交换及其清算”这条主线展开讨论，始终抓住“基本概念、基本公式、基本条件”这个纲，正确掌握各种热力学条件下热力学函数的计算及其应用；（2）尝试采用一种易于理解的从一般能量项的分解表达入手的推理方式，导出若干重要的热力学基本函数，随后再介绍其历史发展沿革，力求充分发挥化学热力学理论因其高度抽象而带来的“纲目性规律”的优势，竭力把握其知识精髓；（3）重在努力揣度和探究化学热力学理论知识的原始创新过程和创新方式，力求避免将这种把握和探索迷失在单纯的一个接一个的热力学概念的介绍和关于相应热力学公式的严格而又繁多的应用条件的讨论之中。如果说全面掌握热力学的有关理论是本篇的重心所在因而非常重要的话，那么，透过这些努力，学习抽象思维方式，学习高度归纳概括和引伸外推的科学研究方法，培养创新精神和创新能力，则更为重要。此乃本课的追求。

2 了解物理化学的前沿动态提高学生对物理化学的学习兴趣

学生学习是为了应用，（1）让学生了解物理化学在各行业中的应用，比如，举例介绍物理化学各章节在生物、化工、医药、能源、材料、地质、环境等学科的应用，知道学习物理化学的重要性，物理化学在国民经济中起的作用和地位。重点强调物理化学在学生所学专业的应用。（2）让学生课余时间了解更多的现代科学成果和发展动态，学生时代了解前沿动态的唯一途径就是多看物理化学相关的专业性期刊，比如：《物理化学学报》、《催化学报》、《分子科学学报》、《催化学报》、《化学通报》等，了解物理化学更多的前沿发展。

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