2章 热力学第一定律

第2章 热力学第一定律

思考题：

1. 对一定量的理想气体，下列单纯PVT过程是否可能：

① 等温下绝热膨胀。

② 等压下绝热压缩。

③ 体积不变，而温度上升，且过程绝热。

④ 吸热而温度不变。

⑤ 温度不变，且压力不变。

2. 在一个带有无摩擦、无质量的绝热活塞的绝热气缸内充入一定量的气体。气缸内壁绕有电阻丝，活塞上方施以一恒定压力，并与缸内气体成平衡状态，如图所示。现通入一微小电流，使气体缓慢膨胀。此过程为一等压过程，故Qp=ΔH，该系统为一绝热系统，则Qp=0，所以此过程的ΔH=0。此结论对否？

3. 已知下述反应的mrH：

① C(石墨) + 0.5 O2(g) == CO(g) )(IHmr

② CO+ 0.5 O2(g) == CO2(g) )(IIHmr

③ H2(g) + 0.5 O2(g) == H2O(g) )(IIIHmr

④ 2H2(g) + O2(g) == 2H2O(l) )(IVHmr

(i) )(IHmr，)(IIHmr，)(IIIHmr，)(IVHmr是否分别是CO(g) ，CO2(g) ，H2O(g)， H2O(l)的mfH？

(ii) )(IHmr，)(IIHmr，)(IIIHmr是否分别是C(石墨)，CO2(g)，H2(g)的mCH？

4. 什么情况下，一个化学反应的mrH不随温度变化？ 选择题：

1. 绝热水箱中装有水，水中绕有电阻丝，由蓄电池供给电流。假设电池放电过程中无热效应，通电后电阻丝和水的温度皆有升高。

A．Q=0，W<0，ΔU<0 B. Q<0，W>0，ΔU>0 C．Q>0，W=0，ΔU>0

D. Q=0，W>0，ΔU>0 E. Q<0，W=0，ΔU<0

① 以电池为系统，水和电阻丝为环境，上述正确的是

② 以电阻丝为系统，水和电池为环境，上述正确的是

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 nVVm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。

第二章 热力学第一定律

1、如果一个系统从环境吸收了J40的热，而系统的热力学能却增加了J200,问系统从环境中得到了多少功？如果该系统在膨胀过程中对环境作了kJ10的功，同时收了kJ28的热，求系统的热力学能变化值。

解：根据WQU热力学第一定律,可知

JQUW160)40200(（系统从环境吸热，0Q）

kJWQU181028（系统对环境做功，0W）

2、有mol10的气体（设为理想气体），压力为kPa1000，温度为K300，分别求出等温时下列过程的功：

（1）在空气中压力为kPa100时，体积胀大31dm；

（2）在空气中压力为kPa100时，膨胀到气体压力也是kPa100；

（3）等温可逆膨胀至气体的压力为kPa100；

解：（1）外压始终维持恒定，系统对环境做功

JVpWe1001011010033

（2）

)11()()(12112212ppnRTppnRTpnRTpVVpVpWeeee

343311108.31430010010()2.21010010100010J

（3）等温可逆膨胀：

2112lnln21ppnRTVVnRTdVpWVVe

J41074.51001000ln300314.810

3、1mol单原子理想气体，,32VmCR，始态（1）的温度为273K,体积为322.4dm，经历如下三步，又回到始态，请计算每个状态的压力，Q,W和U。

（1）等容可逆升温由始态（1）到546K的状态（2）；

（2）等温（546K）可逆膨胀由状态（2）到44.8dm3的状态（3）；

（3）经等压过程由状态（3）回到始态10mol,300K

1000kPa,V1 10mol,300K

100kPa,V2

（1）；