当前位置：文档之家 › (3、4)第二章 2.2热力学第一定律 上

(3、4)第二章 2.2热力学第一定律 上

  • 格式：pdf
  • 大小：1.07 MB
  • 文档页数：4

下载文档原格式

  / 4

合集下载

第二章_热力学第一定律

第二章_热力学第一定律
6
“热力学之父”开尔文
• 上帝要给人类科学，于是“牛顿”走上了历史的舞台； 上帝要给人类工程，于是来了“开尔文”，从此产生 了电机工程、资讯工程与机械工程。 • 开尔文是位天才，10岁进大学，22岁剑桥大学就想聘 他去当物理系主任，绝对温度 K 就来自于他姓氏的缩 写。他提出了热力学第二定律，他首先压缩制出液氮， 他铺设了环球信息的第一条电缆，发明了电子检流器， 最先提出同位素放射理论的。因为他的发现，世界上 每一个学习工程与理科的学生，打开课本，就会发现 “能量”的观念贯穿了每一个物理与化学的公式，解 释了每一个热、电、磁的运动，成为近代科技的基石。
开尔文的哥哥—詹姆斯· 汤姆生 (James Thomson, 1822~1892, 英国)首次使用“热力学(thermodynamics)”这个名词(1849)
克劳修斯 (Rudolf Clausius, 1822~1888，德国) 提出热力学第二定律(1850), 首次引入平均自由程 概念（1858），首次定义“熵”(1854)，提出 “熵增原理”(1865)；首次用统计方法导出压力 公式(1851)，引进自由程概念(1858)，获科普利 奖。 能斯特(Walther Nernst, 1864~1941，德国) 提出热力学第三定律(1906)，于1920年获Nobel物 理奖。
W pambdV
16
不同过程体积功的计算
一般过程：
W pambdV
恒压过程： W pdV p dV pV
恒外压过程：
W pamb V
理想气体可逆过程：
nRT W pambdV pdV dV V
功是“非状态函数”（与途径相关） W
18
§2.3 恒容热、恒压热，焓

热力学第一定律1完整ppt课件

热力学第一定律1完整ppt课件
南京大学精品课程 物理化学→ 网络课程→辅导答疑→第几章→
完整版PPT课件
3
物理化学电子教案—第二章
ΔU=Q+W
完整版PPT课件
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
电子邮箱: mmczjm@
QQ: 530018104
完整版PPT课件
1
热力学第一定律
完整版PPT课件
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
完整版PPT课件
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。
完整版PPT课件

热力学第一定律

热力学第一定律
2014-12-2 29
3、分析
机械能的增量 流动功
1 2 q u c f gz ( pv ) wi 2 18 2
容积变化功 机械能可以全 部转变为功 工质对机器作的功
说明：
（1）工质在状态变化过程中从热能转变而来的机械能 总等于膨胀功 。
1 2 （2）2 c f 、gz、wi
1、热力学第一定律的第二解析式
引进技术功概念后，稳定流动能量方程式（2-16）可写为
Q H Wt 2 23a
对于微元过程，有
q h wt 2 23
q dh wt 2 23b Q dH Wt 2 23c
若过程可逆，则
q h vdp, q dh vdp2 23d
1、开口系统能量方程式 2、稳定流动能量方程式 3、分析
2014-12-2
22
1、开口系统能量方程式
如图所示，一开口系统在dτ时间内进行一个微元过程：
2014-12-2
23
考察该系统微元过程的能量平衡：
进入系统的能量 离开系统的能量 控制容积的储存能增量
dE1 p1dV 1 Q
dE2 p2dV2 Wi
2014-12-2
15
一、推动功和流动功
推动功—工质在开口 系统中流动而传递的功。
mkg工质的推动功等于
pAl pV mpv
1kg工质的推动功等于
2014-12-2
pv
16
说明：
（1）推动功只有在工质移动位置时才起作用。 （2）工质在传递推动功时没有热力状态的变化，也 没有能量形态的变化。 （3）工质的作用只是单纯地运输能量。
2 1
2014-12-2

第二章热力学第一定律

第二章热力学第一定律
敞开系统 系 统
所研究的 物质对象
系统与环境
物质进出 能量得失 √ √
封闭系统 隔离系统


√

状态及状态函数
系统有p, V, T, 组成, 内能等等宏观性质, 系统内的每个粒子 又有结构, 运动情况和粒子间相互作用等微观性质. 系统的宏观 性质有些是各粒子微观性质的某种平均作用, 如温度是分子热 运动的平均强度; 有些则是粒子微观性质的总体表现, 如压力是 分子运动碰撞容器壁面时对单位面积壁面的总垂直力.
状态及状态函数
系统的状态 是系统所有宏观性质的综合表现. 具有单值对应的函数关系 (a) 系统所有的性质一定, 状态就一定; (实际上当系统中物质量及组成, 温度, 压力(或体积) 一定时, 状态便可确定) (b) 状态一定, 系统所有的性质均一定. 因此, 宏观性质又称为状态函数 状态函数的基本性质——状态函数法的基础. • 其微小变化值可用数学上的全微分表示，如dT, dp, dV… • 其增量只与系统的始态和终态有关, 与具体变化途径无关
系统的宏观性质简称性质, 有的可以测量, 有的不可以测量. 性质可分为如下两大类:
系统的性质
{ 强度性质 无空间上的加和性: T,
T p T p
广延性质 有空间上的加和性: n, V ,U, H ,S ,G …
p ,Vm , Um …
nL VL UL SL nR VR UR SR
两者的关系：广延性质的 摩尔量是(准)强度性质， 如:摩尔体积 Vm 等.
{p
su
}
W
p始
一粒粒取走砂粒 (剩 余 砂 粒 相 当 前 述 一个重物)


V终
p始
V始

第二章 热力学第一定律

第二章 热力学第一定律

闭口与稳流开口的能量方程
闭口 稳流开口
q = ∆u + w
q = ∆h + wt
等价
容积变化功w 技术功wt 轴功ws 推进功∆ 推进功∆(pv) 几种功的关系？ 几种功的关系？
几种功的关系
1 2 wt = ∆cf + g∆z + ws 2
q = ∆h + wt = ∆u +∆( pv) + w t
1 2 2 Q = (U2 −U1) + ( p2V2 − pV1) + m(cf 2 − cf 2 ) + mg(z2 − z1) +Ws 1 2
焓（Enthalpy) 的引入 )
定义： 定义：h = u + pv H = U + pV
1、焓是状态量 、 2、一般焓只计算其变化量△h 、 3、对流动工质，焓代表能量(内能 推进功 、对流动工质， 代表能量 内能 推进功) 内能+推进功 对静止工质， 不代表能量 对静止工质，焓不代表能量 4、物理意义：开口系中随工质流动而携带 物理意义：开口系中随工质流动而携带 取决于热力状态的能量 能量。 的、取决于热力状态的能量。
可逆(准静态 过程闭口系能量方程 可逆 准静态)过程闭口系能量方程 准静态
可逆过程容 可逆过程容 积变化功： 积变化功： 闭口系统能 量方程： 量方程：
δw = pdv δq = du + δw
δq = du + pdv q = ∆ u + ∫ pdv
注意公式应用条件
例2 - 1 如图所示，闭口系内的一定量气体由状态1 如图所示 ， 闭口系内的一定量气体由状态 1 经 1a2 变化至状态2 吸热70kJ， 同时对外做功25kJ，， 70kJ 25kJ 变化至状态 2 ， 吸热 70kJ ， 同时对外做功 25kJ ，， 试问： 工质若由1 变化到2 试问：（1）工质若由1经1b2变化到2时，吸热为 90kJ 则对外做功是多少？ kJ， 90kJ ， 则对外做功是多少 ？ （ 2 ） 若外界对气体 做功30kJ， 迫使它从状态2 30kJ 返回到状态1 做功 30kJ ， 迫使它从状态 2 经 2c1 返回到状态 1 ， 则此返回过程是吸热过程还是放热过程？ 则此返回过程是吸热过程还是放热过程？其值为 多少？ 多少？

第二章 热力学第一定律

第二章 热力学第一定律
1 2 ws m u2 p2v2 cf2 gz2 0 2
令
u pv h
U pV H
，h 称为比焓。
, H 称为焓
焓的定义：焓=热力学能+推动功。
2-4 开口系统的稳定流动能量方程式
由于p、v 、u都是状态参数，所以焓也是工质的一个
1 2 Ws m u2 cf2 gz2 mp2v2 2 1 2 Ws m u2 cf2 gz2 p2v2 2
2-4 开口系统的稳定流动能量方程式
根据热力学第一定律可得
1 2 Q m u1 p1v1 2 cf1 gz1
本章主要内容
1 2 3 4 5
热力系统的储存能 热力学第一定律的实质 闭口系统的热力学第一定律表达式 开口系统的稳定流动能量方程式 稳定流动能量方程式的应用
2-1 热力系统的储存能
热力学能
热力学储存能
U
宏观动能与宏观位能
热力学能的定义：
Ek , E p
物体因热运动而具有的能量 , 是存储于物体内部的能量 。 内动能 内位能 原子能 化学能
对于单位质量工质的可逆过程 ,
q du pdv
q u pdv
1
2
2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式
适用条件：
闭口系；可逆、不可逆； 理想和实际气体；初、终态为平衡态
符号规定：
吸热q为正，放热为负 系统对外作功为正，反之为负
系统内能增大 U为正,反之为负
2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式
热力学能（内能）
2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式
Q ΔU

第二章 热力学第一定律


（二）热力学第一定律
热力学第一定律实质就是能量守恒和转换 定律在热现象上的应用。 表述1：热可以变为功，功也可以变为热；一 定量的热消灭，必产生一定量的功；消耗一 定量的功时，必出现与之相应数量的热。
表述2：第一类永动机是造不成的
First Law of Thermodynamics
In 1843, at the age of 25, James Prescott Joule did a series of careful experiments to prove the equivalence of heat and work.
A p V
dl
对推进功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
3、w推＝pv与所处状态有关，是状态量 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量
可理解为：由于工质的进出，外界与系统之
间所传递的一种机械功，表现为流动工质进 出系统使所携带和所传递的一种能量
4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。
三、稳定流动能量方程
Energy balance for steady-flow systems
稳定流动条件
（P22)
1、
•
•
•
mout min m
2、
•
Q Const
min
uin 1 2
c
2 in
gzin
3、
•
•
Wnet ConstWs
三、总能
热力系统的储存能： 储存于热力系统的能量。 （1）内部储存能———热力学能 （2）外部储存能———宏观动能，宏观位能。

第二章 热力学第一定律2010-11-15


三、焦耳实验 1. 实验装置： 实验装置： 2. 实验过程： 实验过程： 3. 实验结果： 实验结果： 4. 实验结果推论： 实验结果推论： 5. 理想气体的热力学能和焓 理想气体的热力学能和焓: U = f (T) H = f (T)
四、理想气体恒温过程Q、W、△U、△H 的计算 理想气体恒温过程 、 、 五、盖斯定律 1.表述： 表述： 表述 2.应用：例题 应用： 应用
研究正在喷射气体的钢瓶中剩余气体的性质； 、研究正在喷射气体的钢瓶中剩余气体的性质； 注意：系统与环境之间总存在一个界面（实际的或假想的）。 注意：系统与环境之间总存在一个界面（实际的或假想的）。
2. 系统分类：⑴敞开系统；⑵封闭系统；⑶隔离系统 系统分类： 敞开系统； 封闭系统； 例： 二、系统性质 1.定义：由大量粒子构成的系统的一切宏观性质叫系统性质。 定义： 系统性质。 定义 由大量粒子构成的系统的一切宏观性质叫系统性质 例如：T，P，ρ，η，V，m，n, U, H, S…… 例如： 2. 分类： 分类：
硫酸溶于水的过程。 例1. 硫酸溶于水的过程。
若在烧杯中进行， ＜ 。 若在烧杯中进行，Q＜0。 若在保温瓶中进行（视为绝热过程） 若在保温瓶中进行（视为绝热过程） ，Q = 0。 。
00-7-23
6
例2.
途径a： 途径 ： Q = 0； ； 途径b： 途径 ： Q＞0； ＞ ； 注意：这里 注意：这里H2视为理想气体
五、过程与途径
1.定义：系统从某一状态（始态）变至另一状态（末态），称为过程。 定义：系统从某一状态（始态）变至另一状态（末态），称为过程。 定义 ），称为过程 实现这一过程的具体步骤称为途径 途径。 实现这一过程的具体步骤称为途径。 2.过程分类：⑴单纯 过程分类： 单纯PVT变化过程；⑵相变化过程；⑶化学反应过程 变化过程； 相变化过程； 过程分类 变化过程 各举一例： 各举一例： 3. 常见的热力学过程： 常见的热力学过程： 恒温过程； 恒温过程； 恒压过程； 恒压过程； 恒容过程； 恒容过程； 绝热过程； 绝热过程； 循环过程； 7-23

ppt热力学第一定律


dH d(U pV ) dU pdV Vdp
系统由始态到末态旳焓变
H U ( pV )4. Q来自 U ，Qp H 两关系式旳意义
特定条件下，不同途径旳热已经分别与过 程旳热力学能变、焓变相等，故不同途径旳恒 容热相等，不同途径旳恒压热相等，而不再与 途径有关。
把特殊过程旳过程量和状态量联络起来。
状态函数旳特征可描述为：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旳性质。
（2） 广度量和强度量 用宏观可测性质来描述系统旳热力学状态，
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，它旳数值与系统旳物质旳量成正比，如体积、 质量、熵等。这种性质有加和性。
系统始态为a压力为pa；末态为z压力为pz，
pz＝1/5pa 。
可逆过程系统对环境做最大功（相反过 程环境对系统作最小功）。
3.理想气体恒温可逆过程
可逆过程,外压和内压相差无穷小
δWr
pdV ,Wr
V2 V1
pdV
理想气体恒温膨胀,则
Wr
nRT
V2 V1
dV V
nRTlnV2 V1
物理化学
第二章 热力学第一定律
The First Law of Thermodynamics
学习要求：
了解热力学基本概念、热力学能和焓旳定 义；掌握热力学第一定律旳文字表述及数 学表述。 了解热与功旳概念并掌握其正、负号旳要 求；掌握体积功计算，同步了解可逆过程 旳意义特点。 要点掌握利用热力学数据计算在单纯pVT 变化、相变化、化学变化过程中系统旳热 力学能变、焓变以及过程热和体积功。
( H p

物理化学第二章 热力学第一定律


H称为焓
物理意义：恒压、非体积功为零的条件下，过程的恒压热在量值上等于其焓变。 适用条件：封闭系统、恒压、非体积功为零
12
3、焓 [1]焓的定义式 [2]焓变
ΔH=H2－ H1 =（U2＋p2V2）－（U1＋p1V1） ΔH=ΔU＋Δ（pV） 讨论：对于系统内只有凝聚态物质发生的PVT变化、相变化和 化学变化 Δ（PV）≈ 0
Zn+HCl
（2）广度量和强度量 广度量：性质与物质的数量成正比，如 V，U等；广度量具有加和性。 强度量：性质与物质的数量无关，如 T，p等； 强度量不具有加和性。
（3）平衡态 系统的温度、压力及各个相中各个组分的物质的量均不随时 间变化时的状态。
系统处在平衡态，满足 热平衡
4
力平衡
相平衡
化学平衡
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
Physical Chemistry
§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
1
教学重点及难点
6
体积功的定义式
※体积功W的计算
气缸的内截面积为As， 活塞至气缸底部的长度为l， 气体的体积为：V=As×l 在环境压力为Pamb下活塞移动了 dl的距离，则：
P＜Pamb，dV＜0，δW＞0，系统得到功 P＞Pamb，dV＞0，δW＜0，系统对环境作功 P＞Pamb＝0时，δW＝0 体积功的定义式
绝大多数反应是在恒温、恒压或恒温、恒容条件下进行的，其反应热就分别 为恒压反应热和恒容反应热。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3
虽然右边每个 球产生的力矩 大，但是球的 个数少，左边 每个球产生的 力矩虽小，但 是球的个数多。 于是，轮子不 会持续转动下 去而对外做功， 只会摆动几下， 便停在右图中 所画的位置上。
4
1. 热力系统的储存能
热力系统总储存能 (1) 热力学能
（内能）热力学能
（外部储存能）宏观 动能、宏观位能
不涉及化学变化和核反应时的物质分子热
第二章 热能转换的基 本概念 和基本定律
2.2 热力学第一定律
热力学第一定律就是一切热力过程所必须遵 循的能量转换与守恒定律。本小节重点阐述热力 学第一定律的实质与数学描述，为热力过程计算 奠定理论基础。
1
第一类永动机：
某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而向外 放热或作功，这叫“第一类永动机”。这种机器 不消耗任何能量，却可以源源不断的对外做功。
6
1
(2)外部储存能：
. 宏观动能 ：Ek Ek= mc2/2 . 宏观位能： Ep Ep= mgz
机械能
(3) 总储存能：E ，单位为 J 或 kJ
E = U + Ek + Ep 比总储存能：e ，单位为 J/kg 或 kJ /kg
e = u + ek + ep
7
2. 热力学第一定律的实质
热力学第一定律实质就是热力过程中的 能量守恒和转换定律 ，可表述为 ：
对于单位质量工质，
流动功是由泵或风机加给被输送工质并随 工质流动向前传递的一种能量，非工质本身具 有的能量。
12
2
(2)开口系统的稳定流动能量方程 在 时间内,
进口质量 m1、 流 速 cf1、 标 高 z1 出口质量 m2、 流 速 cf2、 标 高 z2
稳定流动：
13
根据热力学第一定律可得
在 时间内进入系统的能量 在 时间内离开系统的能量
（2）对于流动工质，流动功等于pv，比 焓表示单位质量工质沿流动方向向前传递 的总能量中取决于热力状态的部分 ；
（3）对于不流动工质，不存在流动功， 比焓也不表示能量，仅是状态参数。
（4）工程上一般只需要计算工质经历某 一过程后焓的变化量，而不是其绝对值，所 以焓值的零点可人为地规定。
18
3
(3)技术功 定义：在工程热力学中，将工程技术上可 以直接利用的动能差、位能差及轴功三项之和 称为技术功，用Wt 表示
14
上式可整理成
令
，h 称为比焓。
比焓的物理意义： 比焓是状态参数；对于流动工质，比焓
令
，上式改成
表示每千克工质沿流动方向向前传递的总能
量中取决于热力状态的部分。
15
16
对于单位质量工质， 以上两式称为开口系统的稳定流动能量方程。
对于微元过程 ，稳定流动能量方程写成
17
注意：
（1）无论对于流动工质还是不流动工 质，比焓都是状态参数；
在热能与其它形式能的互相转换过程中， 能的总量始终不变。
不花费能量就可以产生功的第一类永动机 是不可能制造成功的。
进入系统的能量－离开系统的能量 = 系统储存能量的变化
8
3. 闭口系统的热力学第一定律表达式
Q
W
ΔU
对于微元过程，
9
对于可逆过程， 对于单位质量工质, 对于单位质量工质的可逆过程 ,
10
对于单位质量工质 ，
19
开口系统的稳定流动能量方程式可改写为
对于微元过程 ，
对于开口系统的稳定流动过程，系统内各 点的状态都不随时间而变化，所以可以将质量 为 m 的工质作为闭口系统来研究。
20
可以假定质量为m的工质从进口截面处的 状态1变化到出口截面处的状态2，从外界吸收 了热量Q,作了膨胀功W 。
4. 开口系统的稳定流动能量方程式
(1) 稳定流动与流动功
（a） 稳定流动 流动状况不随时间而改变的流动。即任一
流通截面上工质的状态都不随时间而改变。
稳定流动的实现条件：
1）系统和外界交换的能量（功量和热量） 与质量不随时间而变；
2）进、出口截面的状态参数不随时间而 变。
11
（b）流动功 推动工质流动所作的功，也称为推进功。
运动动能和分子之间的位能之和（热能）。
热力学能符号：U，单位：J 或kJ 。
5
比热力学能：
单位质量工质的热力学能 。符号：u；单 位：J/kg 或kJ/kg。比热力学能是状态参数。
气体工质的比热力学能可表示为
u f T , v
任何状态下系统热力学能的数值不可能为 零。由于在工程热力学中只计算工质在状态变 化中的热力学能的变化量，因此热力学能的零 点可以人为地规定，例如，通常取0K时气体 的热力学能为零。
2
欧洲，早期最著名的一个永动机设计 方案是十三世纪时一个叫边缘安 装着12个可活动的短杆，每个短杆的 一端装有一个铁球。方案的设计者认 为，右边的球比左边的球离轴远些， 因此，右边的球产生的转动力矩要比 左边的球产生的转动力矩大。这样轮 子就会永无休止地转动下去，并且带 动机器转动。这个设计被不少人以不 同的形式复制出来，但从未实现不停 息的转动。
根据闭口系统的热力学第一定律表达式
对比开口系统的稳定流动能量方程式
可得
21
对可逆过程，
式中，v 恒为正值，负号表示技术功的正负 与dp 相反。
22
将上式代入开口系统的稳定流动能量方程式 （适用于一般过程）
可得
（适用于可逆过程）
对于微元可逆过程，
技术功的图形表示
23
4