具体描述
Seeking to introduce molecular thermodynamics in a way that is more congruent with the present day, it approaches the subject from a statistical basis, rather than traditional phenomenological bulk phase behavior and continuum mechanics arguments. Thus, topics are discussed in a different sequence than is encountered in more traditional texts; the presentation of material begins with the molecular argument and later expands to bulk phase behavior. Chapters cover thermal and mechanical processes, structured particle systems and interacting particle systems, multicomponent systems, macroscopic process considerations, electrolyte systems, and more. Worked examples and end-of-chapter problems are included.
《物理化学：原理与应用》 引言 《物理化学：原理与应用》是一部系统、深入地探讨物理化学核心概念及其在各个科学与工程领域应用的权威著作。本书旨在为读者提供一个坚实的基础，使其能够理解物质的性质、结构以及它们如何通过能量和物质的转化来相互作用。从微观的原子分子层面到宏观的化学过程，本书都进行了详尽的阐述，并辅以丰富的实例，展示了物理化学在现代科学研究和技术发展中的关键作用。本书的编写目标是培养读者严谨的科学思维，提升解决复杂化学问题的能力，并为进一步深入学习相关领域奠定坚实基础。 第一部分：热力学基础 本部分是全书的基石，详细介绍了热力学的基本定律、概念和应用。 第一章：热力学第一定律 内容概要： 深入剖析了能量守恒定律在化学体系中的体现。本章首先介绍了能量、功和热这三个基本概念，并阐明了它们在可逆过程和不可逆过程中的区别与联系。接着，详细阐述了焓（enthalpy）的概念，以及它在恒压过程中的重要性，例如化学反应热的测量。读者将学习如何计算和理解系统内部能量（internal energy）和焓的变化，并通过焦耳实验等经典实验来理解热力学第一定律的实验基础。本章还涉及比热容（heat capacity）的概念，并讨论了气体绝热过程的方程，为后续章节中的相变和化学反应提供理论支撑。 应用示例： 燃烧反应热的计算，相变过程（如水的蒸发）的能量变化分析，以及恒压反应的热效应研究。 第二章：热力学第二定律与第三定律 内容概要： 引入了熵（entropy）和吉布斯自由能（Gibbs free energy）等关键概念，以预测化学过程的自发性。本章首先从克劳修斯熵和玻尔兹曼熵的角度，阐释了熵作为无序度量衡的意义。详细讨论了不可逆过程如何增加系统的总熵，并引入了热力学第二定律的几种表述形式。随后，重点介绍了吉布斯自由能，并推导出其与焓、熵和温度的关系。通过吉布斯自由能的变化，可以判断一个过程在恒温恒压下的自发性。本章还涵盖了热力学第三定律，即绝对零度下完美晶体的熵为零，这为计算绝对熵提供了基准。 应用示例： 判断化学反应能否自发进行，预测相平衡条件，以及计算稀溶液的依数性。 第三章：化学平衡 内容概要： 将热力学原理应用于化学反应的平衡状态。本章详细阐述了化学平衡常数（equilibrium constant）的概念，包括浓度平衡常数（Kc）和压力平衡常数（Kp），并推导了它们与热力学量（如吉布斯自由能）的关系。读者将学习如何使用平衡常数来预测反应的转化率，以及如何利用勒夏特列原理（Le Chatelier's principle）来解释和调控平衡体系。本章还讨论了非理想体系中的平衡，引入了活度（activity）的概念，并探讨了多相平衡，例如固液平衡和气液平衡。 应用示例： 合成氨工业中的平衡调控，电解池的电动势计算，以及溶解度和蒸气压的平衡分析。 第二部分：化学动力学 本部分聚焦于化学反应的速率和机理，探讨影响反应速度的因素以及如何控制反应过程。 第四章：化学反应速率 内容概要： 深入研究化学反应发生的速度及其影响因素。本章定义了反应速率（reaction rate）及其表示方法，并介绍了不同反应级数（reaction order）的概念，包括零级、一级、二级反应的微分速率方程和积分速率方程。读者将学习如何通过实验测定反应级数和速率常数（rate constant）。本章还探讨了温度对反应速率的影响，引入了阿伦尼乌斯方程（Arrhenius equation），并阐释了活化能（activation energy）的概念。 应用示例： 药物代谢速率的动力学分析，工业催化反应速率的优化，以及食品保质期动力学预测。 第五章：反应机理 内容概要： 揭示化学反应发生的微观步骤和中间体。本章介绍了反应机理（reaction mechanism）的概念，并解释了复杂反应可能涉及多个基元反应（elementary reactions）的序列。读者将学习如何根据实验数据推断反应机理，并理解速率控制步骤（rate-determining step）的重要性。本章还讨论了链式反应（chain reactions）和拟稳态近似（steady-state approximation）等重要的动力学工具。 应用示例： 自由基聚合反应机理研究，光化学反应的机理分析，以及酶催化反应的机理探索。 第六章：催化 内容概要： 探讨催化剂如何加速化学反应而不被消耗。本章详细阐述了催化（catalysis）的定义和类型，包括均相催化（homogeneous catalysis）和多相催化（heterogeneous catalysis）。读者将学习催化剂的作用机理，例如提供降低活化能的替代反应路径。本章还讨论了催化剂的性质（如表面积、活性位点）如何影响催化效率，并介绍了一些重要的工业催化过程。 应用示例： 汽车尾气催化转化器，石油炼制中的催化裂化，以及生物体内的酶催化作用。 第三部分：分子结构与光谱 本部分将视角聚焦于物质的微观结构，并介绍利用光谱技术来表征分子。 第七章：原子结构与化学键 内容概要： 探索原子内部结构及其对化学键形成的影响。本章回顾了原子的基本模型，如玻尔模型和量子力学模型，介绍了电子的轨道、能级和量子数。接着，详细阐述了化学键的类型，包括离子键、共价键和金属键，并介绍了价键理论（valence bond theory）和分子轨道理论（molecular orbital theory）来解释分子中的电子分布和成键。本章还讨论了键的极性和分子偶极矩（dipole moment）的概念。 应用示例： 预测分子的稳定性，解释分子的几何形状，以及理解化合物的溶解性和反应性。 第八章：分子光谱学 内容概要： 介绍各种光谱技术如何用于探测分子的结构和动态。本章详细阐述了电磁辐射与物质相互作用的基本原理，包括吸收、发射和散射。读者将学习各种光谱技术，如紫外-可见吸收光谱（UV-Vis spectroscopy）、红外光谱（IR spectroscopy）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）和核磁共振波谱（NMR spectroscopy）的工作原理和应用。每种光谱技术都能提供关于分子振动、转动、电子跃迁以及原子核环境的独特信息。 应用示例： 鉴定有机化合物的结构，分析生物分子的构象，以及监测化学反应的进程。 第四部分：相平衡与溶液 本部分关注物质在不同相态之间的平衡关系，以及溶液的性质。 第九章：相平衡 内容概要： 深入探讨物质在不同相（固、液、气）之间达到平衡时的条件。本章介绍了相图（phase diagram）的概念，并重点讲解了单组分体系（如水）和多组分体系（如二元合金）的相图，包括相边界、三相点和临界点。读者将学习如何利用相图来预测物质在给定温度和压力下的相态，并理解相变过程中能量和熵的变化。本章还讨论了相律（phase rule）及其在相平衡分析中的应用。 应用示例： 金属合金的设计与冶炼，食品加工中的结晶过程控制，以及地球科学中的岩石相变研究。 第十章：溶液的性质 内容概要： 研究溶液的组成、性质以及溶液中溶质与溶剂的相互作用。本章介绍了溶液的浓度表示方法，并详细阐述了理想溶液（ideal solution）和非理想溶液（non-ideal solution）的性质。读者将学习道尔顿分压定律、亨利定律（Henry's law）和拉乌尔定律（Raoult's law），并理解依数性（colligative properties），如沸点升高、凝固点降低、渗透压等，这些性质仅取决于溶质的粒子数而非其化学性质。本章还介绍了活度和离子强度的概念，以处理更广泛的溶液体系。 应用示例： 海水淡化中的渗透压应用，药品制剂的浓度配制，以及生物膜的渗透选择性。 第五部分：电化学 本部分将热力学和动力学原理应用于电化学体系，研究电能与化学能的转化。 第十一章：电化学电池 内容概要： 探讨将化学能转化为电能或将电能转化为化学能的装置。本章介绍了电化学电池（electrochemical cell）的基本组成，包括电极（阳极和阴极）和电解质。读者将学习伽伐尼电池（galvanic cell）和电解电池（electrolytic cell）的工作原理，并理解电动势（electromotive force, emf）的概念，以及它与电池反应的吉布斯自由能变化的关系。本章还介绍了标准电极电势（standard electrode potential）的测定和应用，以及能斯特方程（Nernst equation）如何描述非标准条件下的电池电势。 应用示例： 干电池和蓄电池的原理，电解冶炼金属，以及电化学传感器的设计。 第十二章：电解与腐蚀 内容概要： 深入研究电解过程的量化规律以及金属的电化学腐蚀。本章详细阐述了法拉第电解定律（Faraday's laws of electrolysis），定量描述了电解过程中物质的生成量与通过的电量之间的关系。读者将学习如何计算电解池的产物，并理解电解在工业生产中的应用，如电镀和电冶金。本章还探讨了金属腐蚀的电化学机理，以及如何通过改变电极电势和钝化层来防止腐蚀。 应用示例： 电镀金属制品，电解生产氯气和氢氧化钠，以及金属材料的防腐蚀技术。 第六部分：统计力学基础 本部分将微观粒子的统计行为与宏观热力学性质联系起来，提供更深层次的理解。 第十三章：统计热力学导论 内容概要： 介绍如何从微观粒子（原子、分子）的性质推导出宏观系统的热力学行为。本章引入了配分函数（partition function）的概念，它是连接微观状态和宏观性质的桥梁。读者将学习如何利用玻尔兹曼分布（Boltzmann distribution）来描述粒子在不同能量状态的概率分布，并推导出配分函数与热力学量（如内能、熵、自由能）之间的关系。本章将重点关注理想气体和简谐振子的统计力学模型。 应用示例： 计算气体的热容，解释光谱强度，以及理解配位化合物的熵变。 结论 《物理化学：原理与应用》通过系统阐述热力学、动力学、分子结构、相平衡、电化学和统计力学等核心内容，为读者提供了一个全面而深入的物理化学知识体系。本书不仅强调理论的严谨性，更注重其在实际问题中的应用，通过丰富的实例，展示了物理化学作为一门连接宏观世界与微观世界的桥梁学科，在材料科学、生命科学、环境科学、能源科学以及工程技术等众多领域中的不可或缺性。本书是化学、化工、材料、生命科学以及相关工程学科本科生、研究生以及科研人员的理想参考读物。
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