第二章 热力学第一定律
主要内容
1.热力学基本概念和术语
（1）系统和环境：
系统——热力学研究的对象。系统与系统之外的周围部分存在边界。
环境——与系统密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。
根据系统与环境之间发生物质的质量与能量的传递情况，系统分为三类：
(Ⅰ)敞开系统——系统与环境之间通过界面既有物质的质量传递也有能量的传递。
(Ⅱ)封闭系统——系统与环境之间通过界面只有能量的传递，而无物质的质量传递。
(Ⅲ)隔离系统——系统与环境之间既无物质的质量传递亦无能量的传递。
（2）系统的宏观性质：
热力学系统是大量分子、原子、离子等微观粒子组成的宏观集合体。这个集合体所表现出来的集体行为，如GASHUTVp,,,,,,,等叫热力学系统的宏观性质(或简称热力学性质)。
宏观性质分为两类：
(Ⅰ)强度性质——与系统中所含物质的量无关，无加和性(如Tp,等)；
(Ⅱ)广度性质——与系统中所含物质的量有关，有加和性(如HUV,,等)。而
强度性质另一种广度性质一种广度性质 nVVm如，等Vm
（3）相的定义：
相的定义是：系统中物理性质及化学性质完全相同的均匀的部分。
（4）系统的状态和状态函数：
系统的状态是指系统所处的样子。热力学中采用系统的宏观性质来描述系统的状态，所以系统的宏观性质也称为系统的状态函数。
(Ⅰ) 当系统的状态变化时，状态函数的改变量只决定于系统的始态和终态，而与变化的过程或途径无关。即
系统变化时其状态函数的改变量＝系统终态的函数值－系统始态的函数值。
(Ⅱ) 状态函数的微分为全微分，全微分的积分与积分途径无关。
即： 2121XXXdXXX
yyXxxXXxyddd
（5）热力学平衡态： 系统在一定环境条件下，经足够长的时间，其各部分可观测到的宏观性质都不随时间而变，此后将系统隔离，系统的宏观性质仍不改变，此时系统所处的状态叫热力学平衡态。
第二章 热力学第一定律
第一节 第一定律的实质及热力学能和总能
能量守恒与转换定律是自然界的基本规律之一，它指出：自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量总量不变。
热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用。它确定了热力过程中热力系统与外界进行能量交换时，各种形态能量数量上的守恒关系。
一、热力学能
热力学能是与物质内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关的能量。它包括分子移动、转动、粒子震动运动的内动能和分子间由于相互作用力的存在而具有的内位能，故又称内能。内动能取决于分子热运动，是温度的函数，而内位能取决于分子间的距离，是比体积的函数，即
u = f ( T, v )
二、总能
除热力学能外，工质的总能量还包括工质在参考坐标系中作为一个整体，因有宏观运动速度而具有动能、因有不同高度而具有位能。前一种能量称之为内部储存能，后两种能量则称之为外部储存能。我们把内部储存能和外部储存能的总和，即热力学能与宏观运动动能和位能的总和，叫做工质的总储存能，简称总能。即
pkEUEE （2-1）
E---总能；
U---热力学能；
Ek---宏观动能；
Ep---宏观位能。
第二节 第一定律的基本能量方程及工质的焓
一、焓
在有关热力计算总时常有U+pV出现，为了简化公式和计算，把它定义为焓，用符号H表示，即
H=U+pV （2-2） 1kg工质的焓值称为比焓，用h表示，即
h=u+pv （2-3）
焓的单位是J，比焓的单位是J/kg。焓是一个状态参数，在任一平衡状态下，u、p和v都有一定得值，因而焓h也有一定的值，而与达到这一状态的路径无关。
当1kg工质通过一定的界面流入热力系统时，储存于它内部的热力学能当然随着也进入到系统中，同时还把从外部功源获得的推动功pv带进了系统。
工程热力学 第二章 热力学第一定律
1 第二章 热力学第一定律
2-1 冬季，工厂某车间要使室内维持一适宜温度。在这一温度下，透过墙壁和玻璃等处，室内向室外每一小时传出0.7×106kcal的热量。车间各工作机器消耗的动力为是500PS(认为机器工作时将全部动力转变为热能)。另外，室内经常点着50 盏100W 的电灯，要使该车间的温度保持不变，问每小时需供给多少kJ的热量？
解：要使车间保持温度不变，必须使车间内每小时产生的热量等散失的热量
Q = Q机＋Q灯＋Q散＋Q补 = 0
Q机 = 500PSh = 500×2.647796×103 kJ = 1.32×106 kJ
Q灯 = 50×100W×3600s = 1.8×107J = 1.8×104 kJ
Q散 = -0.7×106kcal =- 0.7×106×4.1868kJ = -2.93×106 kJ
Q补 = -Q机-Q灯＋Q散 = -1.32×106 kJ-1.8×104 kJ+2.93×106 kJ = 1.592×106 kJ
2-2 某机器运转时，由于润滑不良产和摩擦热，使质量为150kg的钢制机体在30min内温度升高50℃。试计算摩擦引起的功率损失（已知每千克钢每升高1℃需热量0.461kJ）。
解：由于功损转变为热产，所以
W损＝Q损＝0.461kJ/(kg·℃)×50℃×150kg = 3457.5 kJ
P损 = Q损/t = 3457.5kJ/(30×60)s = 1.92 kW
2-3 气体在某一过程中吸入热量12kJ，同时热力学能增加20kJ。问此过程是膨胀过程还是
压缩过程？对外所作功是多少J（不考虑考虑摩擦）？
解: 取气体为系统，据闭口系能量方程式 Q= ΔU+W
W=Q−ΔU=12kJ−20kJ = −8kJ
所以过程是压缩过程，外界对气体作功8kJ。
第二章热力学第一定律
1.1概述
本章的主要内容是通过热力学第一定律计算系统从一个平衡状
态经过某一过程到达另一平衡状态时，系统与环境之间交换的能量。
热(Q)：系统与环境间由于温差而交换的能量。是物质分子无序运动的结果。是过程量。
功(W)：除热以外的、在系统与环境间交换的所有其它形式的能量。是物质分子有序运动的
结果，是过程量。
热力学能(U)：又称为内能，是系统内部能量的总和。是状态函数，且为广度量，但绝对值
不知道。
热力学第一定律数学表达式：△U=Q+W，在封闭系统、W=0、恒容条件下，△U=QV。
焓函数(H)：H≡U+pV,是状态函数，且为广度量，但绝对值不知道。在封闭系统、W=0、
恒压条件下，△H=Qp。热力学第
一定律及
焓函数系统状态变化时，计算系统与环境间交换的能量状态变化
及过程溶解及混合
化学变化相变化单纯的pTV变化恒容过程(V始=V终)恒温过程(T始=T终=T环)恒压过程(p始=p终=p环)
绝热过程(Q=0)节流过程(H=0，Q＝0)系统及
状态环境：在系统以外与系统密切相关部分系统：隔离系统；封闭系统；敞开系统
状态及
状态函数状态：系统的所有物理性质和化学性质的综合体现类型：广度量；强度量
特性：①改变值只与始、末态有关而与具体途径无关；
②不同状态间的改变值具有加和性。
即殊途同归，值变相等；周而复始，其值不变。状态函数
(热力学性质)
热力学平衡：热平衡；力学平衡；相平衡；化学平衡
溶解焓及混合焓：标准摩尔溶解焓、稀释焓、混合焓的定义及计算。系统与环境
间交换能量
的计算(封闭
系统，W=0)简单的
pTV变化理想气体(IG)系统：2211,,;TTVmpmTTUnCdTHnCdT
理想气体
恒温过程焦尔实验：(1)结论：(∂U/∂V)T=0;(2)推论：UIG=f(T);HIG=g(T)
△U=△H=0;W=-Q=2121ln/VVpdVnRTVV(可逆)
恒容过程：W=0；QV=△U=21,;TVmTnCdT
