从字面上看,存在着数以百万计的化学成分。这些化合物及其成分的反应和相互作用的方式受某些解释其行为的物理原理所支配。因此,物理化学是所有其他化学领域的基础,而且这门科学也与几乎所有其他科学领域相关。物理化学包括四个学科领域,包括热力学、量子化学、化学动力学和统计热力学。
热力学是研究能量转化为热和功的问题。在这种情况下,功被定义为由力传递的能量;例如,踢球是一种功的形式,踢球的人将力从他们的脚传递到球上,导致球移动。热力学还研究通过改变系统内的压力和温度等变量来改变转换过程的方式。
量子化学是一门理论科学,它通过应用量子场理论和量子力学的原理来描述分子如何相互结合。这些原理描述了原子和亚原子粒子在各种系统中的行为方式,并反过来支配分子的行为方式。理论上,所有的化学系统都可以用量子化学来描述,但实际上只有非常简单的系统可以被准确研究。
化学动力学研究的是化学过程的速率。一个特定的化学过程的速率只是化学反应发生的速度。例如,对比铁的氧化速度,这是一个非常缓慢的过程,而燃料燃烧的速度则是一个瞬间的过程。化学动力学还研究改变变量(如压力和温度)如何改变反应发生的速度。
物理化学的这三个方面被第四个方面联系起来,称为统计热力学。这个领域关注化学系统中的能量分布,也将微观世界和宏观世界联系起来。统计热力学的主要目标是解释各种类型的物质的宏观属性与它们的微观分子和粒子之间的相互作用的关系。
通过对这四个概念的研究,现代物理化学试图在生物、环境和材料科学背景下理解复杂的化学问题。尽管这些都是大相径庭的领域,但物理化学的原理却与所有领域相关,包括生物以及物理和化学科学。事实上,这是一门高度多学科的科学,正是因为它所研究的化学原理与所有生物和化学系统有关。
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