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物理化学课件02章 热力学第一定律及其应用

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物理化学电子课件第二章热力学第一定律

物理化学电子课件第二章热力学第一定律

第三节 体积功与可逆过程
４.准静态膨胀
由此可见，压缩时分步越多，环境对系统所做的功就越少。在准静态压 缩过程中，环境对系统所做的功最小。
第三节 体积功与可逆过程
三、可逆过程
（1）可逆过程进行时，系统状态变化的动力与阻力相差无限小。所以， 在恒温条件下，系统可逆膨胀时对环境所做的功最大，系统可逆压缩时从
一、摩尔热容的定义
对恒容且不做非体积功过程有δQV=dU，将其代入式（2-27）得
第五节 摩 尔 热 容
一、摩尔热容的定义 利用式（2-28）可以计算系统发生恒容且不做非体积功的单纯p、V、T
变化过程的QV及系统的ΔU 恒压过程中的摩尔热容称为定压摩尔压热容，用Cp，m表示，即
恒压且不做非体积功过程δQp=dH，将其代入式（2-29）得
若U=f（T，V），则根据状态函数的全微分性质，有
第四节 恒容热、恒压热及焓
三、理想气体的热力学能和焓
式（2-22)和式（2-23)表明，焦耳实验中气体的热力学能与体积、压 力的变化无关，仅是温度的函数，即U=f（T）。后来的精确实验表明，焦 耳实验结果只有在左边容器中的压力趋于无限小时才是正确的，因此，式 （2-22)和式（2-23)仅适用于理想气体。
用符号Qp表示。因过程恒压，即p1=p2=pamb=定值，则过程的体积功为
第四节 恒容热、恒压热及焓
二、恒压热与焓
因为焓是状态函数，ΔH只取决于系统的始末状态，所以Qp也只取决 于系统的始末状态。式（2-18）表示，封闭系统在恒压、不做非体积功
由焓的定义可知，焓H和热力学能U具有相同的单位；又因U、V都是 广度性质，所以焓也是系统的广度性质。由于系统热力学能的绝对数值 无法确定，所以焓的绝对数值也无法确定。之所以要定义出一个新的状 态函数H，是由于其变化量与Qp相关联，其为热力学研究带来了很大方便。

热力学第一定律1完整ppt课件

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3
物理化学电子教案—第二章
ΔU=Q+W
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4
第二章热力学第一定律
2.1基本概念及术语 2.2热力学第一定律 2.3恒容热、恒压热及焓 2.4摩尔热容 2.5相变焓 2.7.化学反应焓 2.8标准摩尔反应焓的计算 2.10可逆过程与可逆体积功 2.11节流膨胀与焦耳-汤姆逊实验
物理化学
主讲： 化学学院 周建敏
祝大家学习愉快，天天进步！
联系电话:
短号：69779 办电：2923571 宅电：2981088
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1
热力学第一定律
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2
物理化学
/jingpin/wlhx/index.htm
（ⅲ）定容过程 V1=V2 （iv ）绝热过程 Q＝0
气体 真空
（v）循环过程 所有状态函数改变量为零
(vi) 对抗恒定外压过程 pamb＝常数。
(vii)自由膨胀过程(向真空膨胀过程)。Pamb=0
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17
§2.1- 4功和热
功由于系统与环境间除热外而引起的能量传递形式。 用符号W 表示。单位：J KJ
环境对系统作功 W ＞0；系统对环境作功W ＜0
注意： W与变化的过程有关， W是途径函数,不能以全微
分表示,微小变化过程的功,不能用dW，用δW 表示
体积功 系统因体积变化时与环境传递的功；
功 非体积功
体积功以外的其它功, 以W' 表示 ,如,
电功,表面功等。
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物理化学：第二章 热力学第一定律

物理化学：第二章 热力学第一定律
（1）除热之外，其它形式传递的能量统称为功。
（2）符号为W，单位 J。
系统得到环境做的功，W > 0，系统对环境作功，W < 0。
（3）功的分类： 体积功：在环境的压力下，系统的体积发生变化而与环境
交换的能量。
非体积功：体积功之外的一切其它形式的功。（如电功
、表面功等），以符号W´ 表示。
(4)体积功的计算
如温度T，压力p,体积V，热力学能U 等等 这些宏观性质中只要有任意一个发生了变化，我们就说系 统的热力学状态发生了变化。
状态函数两个重要特征：
①状态确定时，状态函数X有一定的数值；状态变化时，
状态函数的改变值X 只由系统变化的始态(1)与末态(2)决定， 与变化的具体历程无关： X =X2 – X1 。
②从数学上来看，状态函数的微分具有全微分的特性，全
微分的积分与积分途径无关。
利用以上两个特征,可判断某函数是否为状态函数。
(2) 广度量和强度量
广度量（或广度性质）：与物质的数量成正比的性质。 如V，Cp ，U，…等。它具有加和性。
强度量（或强度性质） ：与物质的数量无关的性质，如 p
、Ｔ等。它不具有加和性。
2 热力学定律解决的问题
(1)热力学第一定律： 系统发生变化时与外界的能量交换。
(2)热力学第二定律： 系统在指定条件下变化的方向和限度。
3 热力学定律的归纳性质
●热力学定律来源于对宏观世界大量实验事实的归纳， 不涉及对物质性质的任何微观假设，也不能直接用数 学来证明。 ●但由热力学定律得出的结论无一与实际相违。
两者的关系：
强度性质
广度性质 物质的量
广度性质(1) 广度性质(2)
m
V
Vm

(物化课件)1.2热力学第一定律

(物化课件)1.2热力学第一定律
(物化课件）1.2热力学第一定律
2．热力学第一定律的文字表述---能量守恒定律 自然界的一切物质都有能量，能量有各种不同的 形式，能够从一种形式转化为另一种形式，或从 一个物体传递给另一个物体，但在转化与传递的 过程中，能量的总值不变。
另一说法：第一类永动机是不可能造出来的。 或：孤立体系的总能量不变，ΔU=0
△U = U2 －U1 = Q1 + W1= Q2 + W2 不同途径Q 、W不同： Q1 ≠ Q2；W1 ≠ W2 Q + W只和过程有关 ：△U = Q + W
课堂练习四：
1、某封闭系统从始态变到终态，从环境吸热500kJ，同
时对环境做功300kJ，求系统和环境的热力学能变。
2、1mol理想气体，从始态A经途径Ⅰ达到终态B 时，系统与环境交换了Q Ⅰ ＝－15kJ，W Ⅰ ＝ 10kJ。若该1mol理性气体从同一始态A经途径Ⅱ到 达同一终态B时，系统与环境交换了Q Ⅱ ＝－10kJ， 则该途径Ⅱ的W Ⅱ ＝ 5 kJ，整个过程的系统 的热力学能变化△U＝ －5 kJ
第一类永动机：既不靠外界供给能量，本 身又不减少能量，却能不断对外做功的机器。
热力学第一定律是人类长期经验的总结， 自然界发生的一切现象均符合此定律。
2．热力学第一定律的数学表达式
某一封闭体系(与环境只有热、功交换）发生如下变化
状态1 ( U1 )
Q1,W1 Q2,W2
状态2( U2 )
U2 = U1 + Q + W
3、某理性气体在绝热条件下，向真空膨胀后，
则Q ＝ 0 ， W ＝ 0，△U ＝ 0
4、一封闭体系，当从状态A经历两条任意的不 同途径变化到状态B时，则有C
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南京工业大学物理化学课件——第二章热力学第一定律

南京工业大学物理化学课件——第二章热力学第一定律
• 热力学第一定律
• 热力学第二定律
• 化学热力学的主要内容
§2-2 热力学的基本概念及术语
• §2-2 热力学的基本概念及术语
• 一、系统与环境
• 1.定义
• 2.注意点
• 3.分类：⑴敞开系统（open system ）
•
⑵封闭系统（closed system）
•
⑶孤立系统（isolated system）
• ⑷性质：一种过程量 ，不是系统的性质，也不是状
态函数，而是一个途径函数，用符号 Q 表示。
§2-2 热力学的基本概念及术语
• 2.功（work） • ⑴定义：系统与环境之间传递的除热以外的其它能量
• ⑵表示方法：符号W • ⑶规定：环境对系统作功，W >0；系统对环境作功，
W <0
• ⑷性质：一种过程量 ，不是系统的性质，也不是状 态函数，而是一个途径函数，用符号W 表示。
Q
Q
C
T2 T1 T
发生微小变化
C Q
热容的单位为J ·K-1 。dT
二、恒容摩尔热容
1.定义：1mol物质在恒容、非体积功为零（即等容过程） 的条件下，仅因改变单位温度所需要吸收的热 。
用 Cm,V 来表示 。
2.表达式：
Cv,m
QV m
dT
f
T
§ 2-5 摩尔热容与热的计算
• ∵ QV m dU
• 2.表达式： •∵
CP,m
QP m
dT
f
T
QP m dHm
•∴
CP,m
Hm T
P
f
T
§ 2-5 摩尔热容与热的计算
•
四、
与 关系： Cm,V

物理化学第二章热力学第一定律主要公式及其适用条件

物理化学第二章热力学第一定律主要公式及其适用条件

第二章 热力学第一定律主要公式及使用条件1. 热力学第一定律的数学表示式W Q U +=∆或 'a m b δδδd δd U Q W Q p V W=+=-+ 规定系统吸热为正，放热为负。

系统得功为正，对环境作功为负。

式中 p amb 为环境的压力，W ’为非体积功。

上式适用于封闭体系的一切过程。

2.焓的定义式3. 焓变（1） )(pV U H ∆+∆=∆式中)(pV ∆为pV 乘积的增量，只有在恒压下)()(12V V p pV -=∆在数值上等于体积功。

（2） 2,m 1d p H nC T ∆=⎰ 此式适用于理想气体单纯pVT 变化的一切过程，或真实气体的恒压变温过程，或纯的液体、固体物质压力变化不大的变温过程。

4.热力学能(又称内能)变 此式适用于理想气体单纯pVT 变化的一切过程。

5. 恒容热和恒压热V Q U =∆ (d 0,'0V W == p Q H =∆ (d 0,'0)p W ==6. 热容的定义式（1）定压热容和定容热容pVU H +=2,m 1d V U nC T ∆=⎰δ/d (/)p p p C Q T H T ==∂∂δ/d (/)V V V C Q T U T ==∂∂（2）摩尔定压热容和摩尔定容热容,m m /(/)p p p C C n H T ==∂∂,m m /(/)V V V C C n U T ==∂∂上式分别适用于无相变变化、无化学变化、非体积功为零的恒压和恒容过程。

（3）质量定压热容（比定压热容）式中m 和M 分别为物质的质量和摩尔质量。

（4） ,m ,m p V C C R -=此式只适用于理想气体。

（5）摩尔定压热容与温度的关系23,m p C a bT cT dT =+++式中a , b , c 及d 对指定气体皆为常数。

（6）平均摩尔定压热容21,m ,m 21d /()Tp p T C T T T C =-⎰7. 摩尔蒸发焓与温度的关系21vap m 2vap m 1vap ,m ()()d T p T H T H T C T ∆=∆+∆⎰ 或 v a p m v a p (/)p p H T C ∂∆∂=∆式中 vap ,m p C ∆ = ,m p C (g) —,m p C (l)，上式适用于恒压蒸发过程。

物理化学课件热力学第一定律(二)

V2 V1
自由膨胀过程，特点是psu=0：
W pSu dV 0
V2 V1
恒外压过程，特点是psu＝常数：
W pSu dV pSu (V2 V1 ) pSu V
V2 V1
恒压过程，特点是p=psu=常数：
W pSu dV pSu (V2 V1 ) pSu V pV
定的状态下，是不存在热和功的。
概念说明：
•热与功是体系与环境之间能量传递的两种不同方 式。 •热与功总是与某一个热力学过程相联系，对于某 一特定状态，我们不能确定热和功是多少。 •热与功不是体系的性质，不是状态函数，只有过 程发生时才有意义，将其称为过程函数（ Q ， W ）
体积功
体积功定义式：
C p CV ( H U )p ( )V T T
U V P V T T P
注:该公式对于封闭体系，非体积功为0，任何纯 物质均适用
理想气体
U m 0 V m T
Vm R T p p
功可分为体积功和非体积功两大类。
体积功（volume work)： 体系发生体积变化与
环境传递的功其他功，如电功、表面功、磁场功等。
功的取号
环境对体系作功，W>0； 体系对环境作功，W<0
对微量的功用符号W
，表示W 的无限小量
Q和W都不是状态函数，其数值与变化途径有关。在确

将两个容量相等的容器，放在水浴 中，左球充满气体，右球为真空（如上 图所示）。打开活塞，气体由左球冲入 右球，达平衡（如下图所示）。
当实验中气体的压力较低时,水 浴温度没有变化，即Q=0；由于体 系向真空膨胀，所以体系没有对外 做功，W=0；根据热力学第一定律 得该过程的 Δ U =0

02章_热力学第一定律


§2.2 热平衡和热力学第零定律
一、温度的概念
将A和B用绝热壁隔开，而让A和B 分别与C达成热平衡。
C
C
A
绝热
B
导热
A
B
然后在A和B之间换成导热壁，而让A和B 与C之间用绝热壁 隔开，观察不到A、B的状态变化，表明A和B已处于热平衡。
A和B分别与C达成热平衡，则A和B也处于热 平衡，这就是热平衡定律或第零定律。
§2.4 热力学第一定律小节：
内能定义：系统内部能量的总和，通常包括分子运动的平动能、分子内的
转动能、振动能、电子及核的能量以及各种粒子之间相互作用的位能等。
特性：内能是系统的状态函数，绝对值无法确定。
*使用条件：纯物质单 相封闭体系
纯物质单相封闭系统(n 有定值)
U U (T ,V )
对于微小变化，(T, V) (T+dT, V+dV)
(T+dT, V) 则
注：
dU
U U dT dV T V V T
*使用条件：纯物质单 相封闭体系
式，但在转化过程中，能量的总值不变。
提醒下：课中重要公式加*提示
一、内能或热力学能 （U）
1.定义
系统内部能量的总和，通常包括分子运动的平动
能、分子内的转动能、振动能、电子及核的能量以及 各种粒子之间相互作用的位能等。
2.基本特征
内能的绝对值无法确定，只能求出其变化值。 内能是广度性质，单位为 J 。 内能是系统的状态函数。
*使用条件：封闭体系任何过程。 *使用条件：封闭体系任何微小过程。
第一类永动机是不可能造成的。
不需要提供能量，确能对外不断做功的机器称为第一类永动机。

物理化学第二章(第一定律)

统计热力学 系统的(微观)状态 系统的(宏观)性质
热力学
8
系统的性质具有如下特点： 1.系统的性质只决定于它现在所处的状态，而与其过
去的历史无关。 2. 系统的状态发生变化时，它的一系列性质也随之而改
变，改变多少，只决定于系统的开始状态和终了状态， 而与变化的途径无关。
热力学把具有这种特征的系统性质称为状态函数。
或不能使一个自然发生的过程完全复原。
第一类永动机 （能量不守衡）
热源 Q W
第二类永动机
2
根据大量的实验结果和自然现象，得出热力学第一、 二定律。
热力学定律的特点： (1) 大量分子系统
（2）不管物质的微观结构 （3）不管过程的机理
优点：结论绝对可靠， 如从热力学导出纯液体 饱和蒸汽压与温度的关系：
(3) 热分为： 显热(Sensible heat)系统做单纯的pVT变化(没有相 变化)，如： 25C水75C水时，系统与环境交换的热量。 潜热(Latent heat)系统发生相变化时，如：
100C水100C水汽时，系统与环境交换的热量。
27
§2-2 热力学第一定律 The First Law of Thermodynamics
活塞
p1 dV
pe
汽缸
如果p1>pe(外压），气体膨胀dV，
则系统对环境做体积功为：dWe= pedV
21
(1) 自由膨胀（Free expansion) 为外压等于零的膨胀，即 pe=0，所以:
We,1 0
(2) 恒外压膨胀pe=const.
We,2
V2
－
pedV
－pe (V2
V1 )
第二章 热力学第一定律及其应用

物理化学课件- 热力学第一定律

数，则焓H＝U＋pV也只是温度的函数。
32
四、QV＝U、QP＝H两公式的意
义
１．将不可测量的量Ｕ、 Ｈ转变为可测量的量Ｑ； ２．将与途经有关的过程函数Ｑ、转变为与途经无关
的状态函数的变化量Ｕ、 Ｈ，可以用设计虚拟过 程进行计算。
33
例：理想气体如下 过程：
p1V1T1
1、恒容过程
QV
QP
2、恒压过程
条件下进的过程，称为可逆过程。
①无限接近平衡态；
②系统可以复原且对环境不留痕迹。
２．可逆体积功计算[W ＝0，W体＝W]
微小功： 功：
W 体 pdV
W体
V2
V1
pdV
３．理想气体恒温可逆体积功计算：
Wr=-nRTln(V2/V1)=-nRTln(p1/p2) 适用条件：理想气体、Ｗ ＝０、恒温、可逆过程
分子间相互作用势能——主要取决于分子间距离，是 Ｖ、Ｔ的函数。（对理想气体没有势能）
分子内部的能量——电子、原子核等的能量。
20
对对热热力力学学能能讨讨论论：： 1、热力学能是状态函数： 2、热力学能是容量性质： 3、热力学能 没有绝对值。 4、热力学能通常是T、V的函数，对理想气体热力
学能只是温度的函数。
＝（U2－U1）＋（p2V2－p1V1） ＝（U2＋p2V2）－（U1＋p1V1） ＝H2－H1＝ H
30
ＱＰ＝ Ｈ
微小变化：ＱＰ＝ｄＨ （适用条件：恒压且Ｗ ＝０）
31
讨论
1、QＰ＝ H ，因此，恒压热只取决于始末态， 与过程的具体途径无关；
2、焓是状态函数，具有能量单位； 3、焓没有明确的物理意义，特殊情况下等于热； 4、由于热力学能没有绝对值，所以焓也没有绝对值； 5、理想气体简单pVT变化时热力学能只是温度的函
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环境
无物质交换 封闭系统
有能量交换
经典热力学主要研究封闭系统
系统的分类 根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类： （3）隔离系统（isolated system） 系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换， 故又称为孤立系统。
环境 无物质交换
隔离系统(1)
无能量交换
系统的分类
根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类：
状态函数的特性可描述为： 异途同归，值变相等； 周而复始，数值还原。 状态函数在数学上具有全微分的性质。
状态方程（equation of state） 系统状态函数之间的定量关系式称为状态方程 对于一定量的单组分均匀系统，状态函数 p, V，T 之间有一定量的联系。经验证明，只有两个 是独立的，它们的函数关系可表示为：
§2.1 热力学概论
热力学的基本内容
•研究宏观系统的热与其他形式能量之间的相互 转换关系及其转换过程中所遵循的规律；
•热力学共有四个基本定律：第零、第一、第二、 第三定律，都是人类经验的总结。第一、第二定 律是热力学的主要基础。 •化学热力学是用热力学基本原理研究化学现象 和相关的物理现象 •根据第一定律计算变化过程中的能量变化，根 据第二定律判断变化的方向和限度。
T f ( p,V ) p f (T ,V ) V f (T , p)
例如，理想气体的状态方程可表示为：
pV nRT
对于多组分系统，系统的状态还与组成有关，如：
T f ( p, V , n1, n2, )
过程和途径 过程 (process) 在一定的环境条件下，系统发生了一个从始 态到终态的变化，称为系统发生了一个热力学过 程。
§ 2.1 热力学概论
热力学方法和局限性
•热力学方法是一种演绎的方法，结合经验所 得的基本定律进行演绎推理，指明宏观对象的 性质、变化方向和限度。
•研究对象是大数量分子的集合体，研究宏观 性质，所得结论具有统计意义。 •只考虑平衡问题，考虑变化前后的净结果， 但不考虑物质的微观结构和反应机理。 •能判断变化能否发生以及进行到什么程度， 但不考虑变化所需要的时间。
C
C
AB
AB
绝热
导热
然后在A和B之间换成导热壁，而让A和B 与C之 间用绝热壁隔开
§2.2 热平衡和热力学第零定律
温度的概念
A和B分别与C达成热平衡，则A和B也处于热平 衡，这就是热平衡定律或第零定律。
C
C
AB
AB
当A和B达成热平衡时，它们具有相同的温度 由此产生了温度计，C相当于起了温度计的作用
§2.10 §2.11 §2.12 §2.13 §2.14 §2.15 *§2.16 *§2.17 *§2.18
Joule– Thomson效应 热化学 Hess定律 几种热效应 反应焓变与温度的关系－Kirchhoff定律 绝热反应── 非等温反应 热力学第一定律的微观诠释 由热力学第零定律导出温度的概念 关于以J(焦耳)作为能量单位的说明

Sm
S n
热力学平衡态 当系统的诸性质不随时间而改变，则系统
就处于热力学平衡态，它包括下列几个平衡： 热平衡（thermal equilibrium） 系统各部分温度相等
力学平衡（mechanical equilibrium） 系统各部的压力都相等，边界不再移动。如 有刚壁存在，虽双方压力不等，但也能保持力学 平衡
强度性质（intensive properties） 它的数值取决于系统自身的特点，与系统的数量无 关，不具有加和性，如温度、压力等。它在数学上 是零次齐函数。指定了物质的量的容量性质即成为 强度性质，或两个容量性质相除得强度性质。
系统的性质
强度性质
广度性质 物质的量
广度性质(1) 广度性质(2)
§ 2.1 热力学概论
热力学方法和局限性 局限性 不知道反应的机理和反应速率 不研究系统的宏观性质与微观结构之间的关系
可以指出进行实验和改进工作的方向，讨 论变化的可能性，但无法指出如何将可能性变 为现实的方法和途径
§2.2 热平衡和热力学第零定律
温度的概念 将A和B用绝热壁隔开，而让A和B 分别与C达成 热平衡。
第二章 热力学第一定律
§ 2.1 热力学概论 §2.2 热平衡和热力学第零定律──温度的概念 §2.3 热力学的一些基本概念 §2.4 热力学第一定律 §2.5 准静态过程与可逆过程 §2.6 焓
§2.7 热容 §2.8 热力学第一定律对理想气体的应用 §2.9 Carnot循环
第二章 热力学第一定律
相平衡（phase equilibrium） 多相共存时，各相的组成和数量不随时间而改变
化学平衡（chemical equilibrium ） 反应系统中各物的数量不再随时间而改变
状态函数（state function） 系统的一些性质，其数值仅取决于系统所处 的状态，而与系统的历史无关； 它的变化值仅取决于系统的始态和终态，而 与变化的途径无关。 具有这种特性的物理量称为状态函数
§2.3 热力学的一些基本概念
系统与环境
系统（System）
在科学研究时必须先确定
研究对象，把一部分物质与其
环境
余分开，这种分离可以是实际 系统
的，也可以是想象的。
这种被划定的研究对象称 为系统，亦称为体系或物系。
环境（surroundings）
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。
系统与环境
系统的分类 根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类： （1）敞开系统（open system） 系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换
环境
有物质交换 敞开系统
有能量交换
经典热力学不研究敞开系统
系统的分类 根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类： （2）封闭系统（closed system） 系统与环境之间无物质交换，但有能量交换
（3）隔离系统（isolated system）
有时把系统和影响所及的环境一起作为孤立系
统来考虑。
大环境
无物质交换
孤立系统(2)
Siso Ssys Ssur
无能量交换
系统的性质
用宏观可测性质来描述系统的热力学状态， 故这些性质又称为热力学变量。可分为两类：
广度性质（extensive properties） 又称为容量性质，它的数值与系统的物质的量成 正比，如体积、质量、熵等。这种性质有加和性， 在数学上是一次齐函数。