下载文档原格式
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p k E U E E =++ （2-1）E---总能； U---热力学能； E k ---宏观动能； E p ---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。
因此系统中因引进1kg工质而获得的总能量是热力学能与推动功之和（u+pv），即比焓。
热力学第一定律的含义与应用热力学是研究能量转化和能量传递规律的科学，而热力学第一定律是热力学中最基本的定律之一，它揭示了能量守恒的基本原理。
本文将详细探讨热力学第一定律的含义及其在实际生活和工程中的应用。
一、热力学第一定律的含义热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，它表明能量在系统中的转换和传递是有限制的。
换句话说，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转换为另一种形式或从一处传递到另一处。
根据热力学第一定律，一个封闭系统中的能量变化等于能量输入减去能量输出，即ΔU = Q - W。
其中，ΔU表示内能的变化，Q表示系统从外界吸收的热量，W表示系统对外界做的功。
这个公式清楚地说明了能量的守恒性质。
热力学第一定律的含义可以理解为，能量不会从不存在的地方出现，也不会无中生有地消失，它只是在系统中不断地转换和传递。
这个定律对于研究能量转化和能量传递具有重要的指导意义，可以帮助我们理解和解释各种自然和工程现象。
二、热力学第一定律的应用1. 动力系统中的应用热力学第一定律在动力系统中有广泛的应用。
以内燃机为例，根据热力学第一定律，内燃机的输出功等于燃烧室吸收的热量减去排出的废气所做的工作。
通过合理地控制热量的输入和输出，可以提高内燃机的效率，减少能量的浪费。
2. 热力学循环中的应用热力学第一定律也在热力学循环中有着重要的应用。
例如在汽车的发动机中，根据热力学第一定律，我们可以分析汽缸内的热量输入和输出情况，从而确定汽车发动机的效率。
同时，还可以通过热力学循环的优化设计，提高汽车发动机的工作效率，降低油耗和排放。
3. 能源利用中的应用热力学第一定律的应用还可以拓展到能源利用领域。
能源的开发和利用是人类社会的重要任务，而热力学第一定律可以帮助我们优化能源的利用方式。
通过对能量输入和输出的分析，可以提出合理的能源利用方案，高效地利用能源资源，降低能源消耗和环境污染。
4. 生态系统中的应用除了工程领域，热力学第一定律在生态系统中也有一定的应用。
热力学第一定律与第二定律的解释和应用热力学是研究能量转化和守恒的物理学科，而热力学的两个基本定律：第一定律和第二定律，则为我们提供了描述能量转化和守恒的重要规律。
在本文中，我们将详细解释这两个定律，并探讨它们在实际应用中的重要性。
首先，我们来解释热力学的第一定律。
第一定律也被称为能量守恒定律，它表明能量不会消失或产生，只会从一种形式转化为另一种形式。
换句话说，系统的内部能量是一个守恒量，它可以通过传热和做功的方式进行转移。
这里的“传热”指的是热量从高温物体流向低温物体，而“做功”则是指通过力的作用使物体的位置发生变化。
根据第一定律，一个系统在吸热（Q）和做功（W）的过程中，其内部能量的变化（ΔU）可以通过以下方程表示：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内部能量的变化，Q表示传给系统的热量，W表示系统对外做的功。
这个方程告诉我们，系统的内部能量的增加等于由外界传给系统的热量减去系统对外做的功。
通过控制传热和做功的过程，我们可以实现能量的转化和控制。
接下来，我们来讨论热力学的第二定律。
第二定律是描述自然过程中不可逆性的原理，也被称为热力学箭头定律。
根据第二定律，自然界中一些过程是不可逆的，这意味着它们只能在一个特定的方向上发生。
最经典的例子就是热量从高温物体流向低温物体，而不会发生反方向的现象。
这个方向性规律被称为熵增原理，也可以用熵的概念来描述。
熵是衡量系统无序程度的物理量。
根据熵增原理，一个孤立系统的熵在不可逆过程中总是增加的，而在可逆过程中保持不变。
换句话说，自然界的过程倾向于朝着更加无序和不稳定的状态发展。
例如，一个热杯中的热水最终会均匀分布在整个杯子中，而不是保持局部的热度。
这个过程中热量的传递会产生系统的熵增加。
第二定律在能源转化和热机工作中起着重要作用。
例如，著名的卡诺循环是一种理论上最高效的热机循环，它基于第二定律的原理。
卡诺循环利用了两个热源之间的温差，从高温热源吸收热量，并将一部分功用于做功，最终将剩余的热量排放到低温热源。
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 'amb δδδd δdU 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,'0)V 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pV U 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 vap m vap ,m (/)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。
