课程名称：物理化学
英文名称：Physical Chemistry
课程编码：XJ020012
课程性质：专业基础课
学 分：2学分
学 时：32学时
开课单位：食品学院
开课学期：第3学期
适用专业：食品科学与工程
先修课程：《无机及分析化学》、《有机化学》、《高等数学》、《大学物理》
一、课程简介
课程性质：物理化学是食品科学与工程专业的重要学课基础课程之一，它是运用数学、物理学等基础学科的基本理论和实验方法，从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手来探求化学变化中最具有普遍性的基本规律的一门科学。物理化学主要是从理论上探求化学变化的方向、限度及能量转变问题，化学反应的速率和机理问题，以及物质结构与其性能间的关系问题，其原理、研究方法及结论普遍适用于食品科学的理论研究、科学实验和生产实践，它将为食品科学与工程专业学生后续专业课程的学习建立必要的理论与实践基础，在课程体系中处于承前启后的枢纽作用。
课程任务：通过物理化学课程理论讲授，使学生熟知物理化学的重要研究进展、在食品科学中的应用事例以及对现代化学发展的重要贡献，并能应用本学科重要的基本理论、基本知识和基本技能去解决食品领域相关的生产实践和科学实验向化学提出的理论问题。同时，让学生形成由实验结果出发进行归纳和演绎，由假设和模型上升为理论的研究思维，使学生在学习、讨论、研究过程中养成观察、发现、延申问题，自觉运用所学知识分析、解决问题的良好习惯。学生学习本课程后，即要具备一定的独立思考、分析概括和创新能力，又具备团队精神和合作交流意识，建立求真务实的科学态度和勇于挑战的科学精神，树立正确的人生观和价值观，为今后从事的岗位工作奠定理论基础和思维训练。
二、课程目标
1.课程目标
通过本课程的学习，学生所具备的知识、能力、素质如下：
课程目标1：能正确描述、归纳物理化学基本概念、基础理论、基本公式和模型，用于正确表达、解释餐饮食品在加工、储藏、质量控制和产品研发过程中的复杂工程问题。
课程目标2：能够运用物理和数学的相关理论和方法探究物质变化的规律，基于化学热力学、相平衡、表面和胶体化学的理论和计算方法，选择研究模型，用于推演和分析餐饮食品在加工、储藏、质量控制和产品研发过程中的物性参数、能量变化、相转变及平衡等复杂工程问题。
课程目标3：能够运用物理化学所蕴涵的哲理，树立正确的学习态度，建立科学的研究方法，并通过查阅文献，调研、分析物理化学相关知识和原理在食品工程中的应用实践，能够获取解决餐饮食品在加工、储藏、质量控制和产品研发过程中的相关信息和解决方案。
2.课程目标与毕业要求指标点的对应关系
课程目标支撑的毕业要求主要体现在毕业要求指标点2.3、3.2、5.1，具体如下表所示：
表1 课程目标与毕业要求指标的对应关系
课程目标 |
毕业要求 |
毕业要求指标点及其内容 |
支撑强度 |
课程目标1 |
3 问题分析 |
3.2 能运用数学、自然科学和食品科学与工程相关科学原理、模型或其他专业表述方法正确表达餐饮食品贮藏、加工、质量控制和产品研发中的复杂工程问题。 |
M |
课程目标2 |
2 工程知识 |
2.3能够将所学科学知识、原理和数学模型方法用于推演和分析有关餐饮食品贮藏、加工、质量控制和产品研发中的复杂工程问题。 |
H |
课程目标3 |
5研究 |
5.1 能够基于食品科学理论，通过文献研究或相关方法，调研和分析餐饮食品相关领域复杂工程问题的解决方案。 |
M |
注：H：强支撑，M中支撑，L弱支撑。
三、课程教学内容、学时和基本要求
第一章 绪论（2学时，支撑课程目标1）
1.教学内容
1-1 物理化学的定义
1-2 物理化学的形成和发展
1-3 物理化学的研究内容
1-4 物理化学的特点及研究方法
1-5 物理化学的学习方法
1-6 物理化学在食品科学中的应用
2.教学要求
（1）学生能从物理现象和化学现象的联系入手，说出物理化学的概念和特点。
（2）学生能举例、归纳化学动力学、化学热力学及结构化学等方面的研究内容。
（3）学生能总结并在学习过程中逐步养成学习物理化学的方法。
（4）学生通过查阅文献资料，能举例说出物理化学相关知识和技能在食品科学中的应用。
（5）学生能参与追溯物理化学的形成和发展历程，并能说出物理化学发展史上具有里程碑意义的事件，养成善于关注学科、社会发展的良好习惯。
3.教学重点
（1）物理化学的研究内容
（2）物理化学在食品科学中的应用
（3）物理化学的学习方法
4.教学难点
（1）学生学会物理化学的学习方法，并将物理化学的研究思维和方法迁移到社会实践和科学研究中，提升创新精神和实践能力。
5.教学方法
自学+讲授＋讨论+练习
6.课程思政元素
在介绍物理化学的形成和发展这一知识点时，阐述中国物理化学奠基人之一的黄子卿先生对物理化学学科发展的重大贡献。他在电化学、生物化学、热力学和溶液理论方面颇有建树。他以严谨的科学态度精心设计实验装置，精确测定了水的三相点，在测定过程中排除了各种可能的干扰(如大气压强及水液面高度产生的附加压强对冰室平衡温度的影响；水样杂质造成的水的凝固点降低；水样严格纯化去除 CO2；精选“三相点室”材料并严格清洗；对体系采取严格的隔热防辐射措施，采用了当时最精确的测温手段并加以校正)，历经长达一年的反复测试，测得水的三相点为0.00980 ± 0.00005 ℃，被确定为国际热力学温标的基准点(IPTS-1948)，具有划时代意义。其实验设计的缜密性、坚持不懈的精神，无不令人印象深刻。从而培养学生求真务实的科学态度，不畏艰难，迎接挑战，刻苦专研的人格品质。
第二章 热力学第一定律及其应用（8学时，支撑课程目标1、2、3）
1.教学内容
2-1 热力学概述
2-2 热力学基本概念
2-2-1 体系与环境
2-2-2 状态和状态性质
2-2-3 状态函数和状态方程
2-2-4 过程与途径
2-3 热力学第一定律
2-3-1 热力学能
2-3-2 热与功
2-3-3 热力学第一定律描述及数学表达式
2-4 热与过程
2-4-1 恒容热
2-4-2 恒压热及焓
2-4-3热容
2-5 功与过程
2-5-1 不同过程的体积功
2-5-2 准静态过程和可逆过程
2-5-3 相变过程的功
2-6 热化学
2-6-1 化学反应的热效应
2-6-2 热化学方程式
2-6-3 标准摩尔生成焓和标准摩尔燃烧焓
2-6-4 标准摩尔反应焓与温度的关系
2.教学要求
（1）学生能区别体系与环境、过程与途径等物理化学基本概念；能用常见的一些性质如：温度（T）、压强（p）、体积（V）描述体系的状态；能区分和判断广度性质及强度性质；能总结状态函数的基本特征。
（2）学生能说出热力学能、热及功的概念、符号的规定及特征；能回忆热及机械功的计算公式和方法，在机械功计算公式的基础上学会体积功计算公式的推导过程和方法；能用体积功的计算公式计算简单体积变化过程所作的功；学会热力学第一定律的数学表达式，并应用该表达式计算简单过程中的能量转变。
（3）学生学会推导公式Qv=ΔU，Qp=ΔH，并能说出公式成立的条件及意义；总结焓的定义、特征及意义；能区别并判断不可逆相变、可逆相变和正常相变；能解释相变焓、标准相变焓和标准摩尔相变焓之间的关系；能应用摩尔恒压热容和摩尔恒容热容来计算过程的恒压热和恒容热。
（4）学生学会推导一次恒外压膨胀（压缩）、多次恒外压膨胀（压缩）、可逆膨胀（压缩）过程的体积功计算公式，并能应用公式计算过程的体积功和相变功；能说出准静态过程和可逆过程之间的区别和联系。
（5）学生能描述焦耳实验，能推导出焦耳实验过程中Q、W、ΔU、ΔH的值；能学会推导绝热过程的过程方程；能应用过程方程计算绝热过程的Q、W、ΔU、ΔH的值。
（6）学生能描述标准摩尔生成焓、标准摩尔燃烧焓的定义，并总结这两种热效应的特点和意义；能应用标准摩尔生成焓及标准摩尔燃烧焓计算化学反应的标准摩尔反应焓；学会推导基尔霍夫方程，应用该方程计算化学变化的标准摩尔反应焓在不同反应温度下的值。
教学重点
（1）状态性质中的强度性质和广度性质，及二者的联系；状态函数的基本特征。
（2）热力学第一定律中热力学能、热及功的概念、符号的规定及特征。
（3）焓的定义、特征和意义。
（4）一次恒外压、多次恒外压及可逆过程的体积功的计算公式的推导及应用。
（5）应用摩尔恒容热容和摩尔恒压热容计算恒容热和恒压热。
（6）标准摩尔生成焓、标准摩尔燃烧焓的定义及应用这两种热效应计算化学变化过程中的热效应。
（7）应用基尔霍夫方程计算任意温度下，化学反应的热效应。
4.教学难点
（1）状态函数的基本特征。
（2）一次恒外压、多次恒外压及可逆过程的体积功的计算公式的推导及应用。
（3）应用摩尔恒容热容和摩尔恒压热容计算恒容热和恒压热。
（4）标准摩尔生成焓、标准摩尔燃烧焓的定义及应用这两种热效应计算化学变化过程中的热效应。
（5）应用基尔霍夫方程计算任意温度下，化学反应的热效应。
5.教学方法
自学+讲授＋讨论+练习
第三章 热力学第二定律及其应用（9学时，支撑课程目标1、2、3）
1.教学内容
3-1 自然界宏观过程的共同特征
3-2 热力基第二定律
3-2-1 热力学第二定律的两种表述
3-2-2 热机的工作原理
3-2-3 卡诺循环及卡诺定理
3-2-4 熵函数的导出及熵的定义
3-2-5 克劳修斯不等式及熵增原理
3-3 熵的本质
3-4 热力学第三定律及规定熵
3-4-1 热力学第三定律的表述
3-4-2 规定熵和标准摩尔熵
3-5 熵变的计算
3-5-1 简单P、V、T过程熵变的计算
3-5-2 相变过程熵变的计算
3-5-3 化学变化过程熵变的计算
3-6 吉布斯函数
3-7 ΔG的计算
3-7-1 恒温物理变化过程ΔG的计算
3-7-2 恒温化学变化过程ΔG的计算
2.教学要求
（1）学生能总结自然界宏观过程的共同特征；能判断一个过程是自发还是非自发。
（2）学生能说出热力学第二定律的两种经典表述；能概述热机的工作原理；能计算卡诺循环过程的Q、W、ΔU和热机的效率η；能从卡诺定理导出熵函数，总结熵函数的特征；能从卡诺定理导出克劳修斯不等式，并应用克劳修斯不等式导出熵增原理；总结熵判据，并能应用熵判据判断一个过程是否可逆。
（3）学生能举例说明熵的本质。
（4）学生能说出热力学第三定律的两种文字表述；学会规定熵及标准熵的推导思维。
（5）学生能将状态函数的思想应用到熵变的计算过程中，并能推导出恒温过程、恒容过程、恒压过程熵变的计算公式，应用这些公式计算简单P、V、T过程的熵变；能将一个不可逆相变设计成可逆相变，并计算其熵变；能计算任意温度下化学变化的熵变。
（6）学生能说出吉布斯函数的定义、特征和意义；能总结吉布斯函数判据；能归纳热力学判据及其应用条件。
（7）学生能推导出ΔG的计算公式，并能计算相变过程、化学变化过程中的ΔG。
3.教学重点
（1）热机的工作原理、卡诺循环、卡诺热机的效率及卡诺定理。
（2）由卡诺定理推导出熵函数及克劳修斯不等式。
（3）由克劳修斯不等式推导出熵增原理及其使用的条件。
（4）熵变的计算。
（5）吉布斯函数的定义、特征及意义，吉布斯函数判据。
（6）相变过程、化学变化过程中的ΔG的计算。
4.教学难点
（1）卡诺循环、卡诺定理、熵函数的导出及克劳修斯不等式的导出。
（2）熵判据和吉布斯自由能判据的应用。
（3）熵变的计算。
（4）相变过程、化学变化过程中的ΔG的计算。
5.教学方法
自学+讲授＋讨论+练习
6.课程思政元素
介绍热机的工作原理和热机效率问题时，通过介绍热机的发展历史，自然地引入国人引以为傲的中国高铁。当今“中国制造”的高铁技术 (无砟轨道、和谐号动车组、极端条件如高寒地区通车技术)令人震撼，正在“一带一路”建设中扮演重要角色。让学生感受“高铁” 始于日本、发展于欧洲、格局大变于中国，甚至在下一代超级高铁(胶囊高铁、飞铁)研发方面，中国的技术贮备也位列仅有的四国之一，增强学生的民族自豪感和自信心,激励学生“我能行”的自信心，培养报效祖国的情怀。
第四章 多组分体系的热力学与相平衡（8学时，支撑课程目标1、2、3）
1.教学内容
3-1多组分体系的分类
3-2偏摩尔量
3-2-1 偏摩尔量
3-2-2 偏摩尔量的集合公式
3-3化学势
3-3-1 化学势
3-3-2 化学式在相变化中的应用
3-3-3化学势在化学平衡中的应用
3-4气体的化学势
3-4-1 纯理想气体的化学势
3-4-2 理想气体混合物中组分B的化学势
3-5稀溶液中的两个经验定律
3-5-1 拉乌尔定律
3-5-2 亨利定律
3-6理想液态混合物
3-6-1 理想液态混合物
3-6-2 理想液态混合物中各组分的化学势
3-6-3 理想液态混合物的混合性质
3-6-4 理想液态混合物的气液平衡
3-7理想稀溶液
3-7-1 理想稀溶液
3-7-2 理想稀溶液中各组分的化学势
3-8相律
3-8-1 相律基本概念
3-8-2 相律
3-9单组分体系的相图
3-9-1 单组分体系的两相平衡
3-9-2 单组分体系的相图
3-9-3 超临界流体
2.教学要求
（1）学生能说出多组分体系的分类及组成的表示方法，理解多组分体系中引入偏摩尔量的必要性，掌握偏摩尔量、化学势的定义及其区别及应用。
（2）学生能写出理想气体、理想稀溶液、理想液态混合物中各组分的化学势的表达式，能应用拉乌尔定律和亨利定律计算体系的压力及组成。
（3）学生能说出相律的基本概念，能计算物种数、相数、组分数和自由度，能概括相律的推导方法，并能应用相律对相图进行分析。
（4）学生能重复克拉佩龙方程的导出方法，能导出克劳修斯-克拉佩龙方程，能应用克劳修斯-克拉佩龙方程计算纯物质的两相平衡的T，P关系。
（5）学生会分析单组分体系的相图（以水为例）。
3.教学重点
（1）偏摩尔量的概念及偏摩尔量的集合公式。
（2）化学势的概念及其应用。
（3）理想气体化学势的表达式。
（4）拉乌尔定律和亨利定律及应用。
（5）理想气体化学势的表达式、理想溶液中各组分化学势的表达式。
（6）相律的基本概念、公式及应用。
（7）克拉佩龙—克劳修斯方程及其应用。
4.教学难点
（1）偏摩尔量的概念及偏摩尔量的集合公式。
（2）化学势的概念及其应用。
（3）各种体系中各组分化学势的表示法。
（4）理想液态混合物、理想稀溶液的概念。
（5）相律基本概念，相律及应用。
（6）克拉佩龙—克劳修斯方程及其应用。
5.教学方法
自学+讲授＋讨论+练习
第五章 表面现象（4学时，支撑课程目标1、2、3）
1.教学内容
5-1 表面张力和表面吉布斯函数
5-1-1 表面功、表面吉布斯函数
5-1-2 表面张力
5-1-3 影响表面张力的因素
5-2弯曲液面的性质
5-2-1弯曲液面的附加压力
5-2-2 表面张力的测定方法
5-2-3 开尔文方程
5-2-4 亚稳状态和新相的形成
5-3 溶液表面吸附
5-3-1 溶液的表面张力与浓度的关系
5-3-2 吉布斯等温吸附方程
5-3-3表面活性物质分子在两相界面上的定向排列
2.教学要求
（1）学生能认识表面现象，知道表面化学的一些应用，能说出表面张力的影响因素，表面功、表面吉布斯函数、表面张力的概念。
（2）学生能认识表面现象的本质，理解弯曲液面的附加压力，能应用拉普拉斯方程、开尔文方程解释弯曲液面的常见现象。
（3）学生能说出表面吸附的影响因素，总结溶液的表面张力与浓度的关系，能应用吉布斯等温吸附方程。
3.教学重点
（1）表面张力及影响因素，表面功、表面吉布斯函数、表面张力的概念。
（2）弯曲液面的附加压力，拉普拉斯方程、开尔文方程，表面张力的测定方法。
（3）溶液的表面张力与浓度的关系，吉布斯等温吸附方程。
4.教学难点
（1）表面功、表面吉布斯函数、表面张力的概念。
（2）弯曲液面下的附加压力的理解及影响因素。
（3）拉普拉斯方程和开尔文方程的导出及应用，表面张力的测定方法。
（4）吉布斯等温吸附方程
5.教学方法
自学+讲授＋讨论+练习
6.课程思政元素
新课引入时，引用古诗词“接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红(杨万里)”绘出了一池荷花的美妙画卷；“予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖(周敦颐)”“嫩竹犹含粉，初荷未聚尘(徐陵)”描写了荷花的高洁品质。课堂上由此开篇，带领学生明晰固体表面润湿性、亲水性与疏水性，引发学生思考荷叶上的水珠为什么呈现椭球形，剖析荷花自洁净效应的原因，并进一步介绍江雷课题组仿生荷叶表面微-纳米双重结构、设计制备各种亲/疏水材料的创新性工作。由表及里，使学生感受中国传统文化的博大精深，触动学生根植于内心的美育情感，增强文化自行。同时，让学生感受到一切科学真理的发现都源自于自然的启发，培养学生善于观察、善于思考的科学精神。
四、课程考核及成绩评定
期末考核方式：考试
期末考试形式：闭卷
成绩评定：平时成绩：占45%
期末考试：占55%
表2 课程目标达成情况评价依据
课程目标 |
考核内容 |
考核形式及占比（％） |
成绩 |
|
课堂表现 |
课程作业、线上讨论 |
线上学习 |
思维导图、课程论文 |
期末考试（选择题、填空题） |
期末考试（计算题） |
期末考试（证明题、设计题、简答题、案例分析题） |
总比（%） |
课程目标1 |
平时成绩1：（1）线上视频学习情况。完成线上视频总时长，主要考查学生自主学习的积极性和主动性；（2）随堂测试主要考查热力学三大定律、溶液、相平衡、表面化学等章节内容的基本知识；（3）考查学生课堂参与的积极性和持续性，课堂笔记的记录与整理能力。 |
9 |
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11.25 |
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39.5 |
期末考试1：主要考核学生对对物理化学基本概念、基础理论、基本公式的理解能力。 |
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19.25 |
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课程目标2 |
平时成绩2：（1）课后作业主要考查热力学三大定律、溶液、相平衡、表面化学等章节内容的基本知识；（2）线上讨论情况，主要考查学生对物理化学理论知识的基本理解能力； |
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11.25 |
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29.4 |
期末考试2：主要考核学生对物理化学中基本计算方法的应用能力。 |
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18.15 |
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课程目标3 |
平时成绩3：（1）主要考查学生查阅文献、资料整理、归纳总结的能力；（2）主要考查学生对章节知识的整理、梳理和总结情况，知识框架的建构能力。 |
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13.5 |
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31.1 |
期末考试3：主要考核学生对物理化学中基本原理和方法的问题分析能力。 |
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17.6 |
合计 |
100 |
五、课程资源
教材：高丕英,李江波等.物理化学（第二版）[M].北京:科学出版社.2013.
参考书目：
（1）华东师范大学,四川师范大学等.物理化学(第二版)[M].北京:科学出版社.2000.
（2）印永嘉,奚正楷,张树永等.简明物理化学（第四版）[M].北京:高等教育出版社.2007.
（3）傅献彩,沈文霞,姚天扬等.物理化学（第五版）[M].北京:高等教育出版社.2011.
大纲撰写人：粟立丹
大纲审核人：袁灿
日 期：2024 年1 月
