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3热力学第一定律

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热力学第一定律3

热力学第一定律3


pi dV
V1
V2

V2
V1
V1 nRT dV nRT ln V2 V
这种过程近似地可看作可逆过程，所作的功最大。
压缩过程
将体积从 V2 压缩到 V1 ，有如下三种途径： 1.一次等外压压缩 在外压为 p1下，一次从 V2 压 缩到 V1 ，环境对体系所作的功 （即体系得到的功）为：
为什么要定义பைடு நூலகம்？
dU Q W Q pdV Wf
(dV 0, Wf =0) 不作非膨胀功的等容过程， U Q V
等容热不易测定，如果是不作非膨胀功的等压过程，
QV
Wf 0
U Q We
p1 p2

p
U2 U1 Qp p(V2 V1)
We,2 pe (V2 V1 )
体系所作的功如阴影面积所示。
3.多次等外压膨胀
(1)克服外压为 p ' ，体积从 V1 膨胀到 V ' ；
(2)克服外压为 p "，体积从V ' 膨胀到 V " ；
(3)克服外压为 p2 ，体积从V "膨胀到 V2 。
We,3 p '(V 'V1 )
U = Q + W
对微小变化： dU =Q +W 因为热力学能是状态函数，数学上具有全微 分性质，微小变化可用dU表示；Q和W不是状态 函数，微小变化用表示，以示区别。 也可用U = Q - W表示，两种表达式完全等 效，只是W的取号不同。用该式表示的W的取号 为：环境对体系作功， W<0 ；体系对环境作功， W>0 。
第一类永动机（first kind of perpetual motion mechine) 一种既不靠外界提供能量，本身也不减少能 量，却可以不断对外作功的机器称为第一类永动机， 它显然与能量守恒定律矛盾。
热力学第一定律

热力学第一定律


21
例1: 一定量的理想气体从体积V1 膨胀到体积V2 ，经历 以下几个过程： AB等压过程； AC等温过程； AD绝热 过程。问：从P－V图上，(1) 哪一个过程做功较多？哪 一个过程做功较少？(2) 经历哪一个过程内能增加？经 历哪一个过程内能减少？(3) 经历哪一个过程吸热最多？ P 解： (1) 等压过程做功最多 A A A P A B p T Q 绝热过程做功最少 P C
例2：图示两卡诺循环，S1 = S2 P (1) 吸热和放热差值是否相同？ (2) 对外所做净功是否相同？ (3) 效率是否相同？ 答案：(1)相同；(2)相同；(3)不相同
讨论
T2 1 )卡诺热机效率C 1 T1
只与T1和T2有关
与物质种类、膨胀的体积无关
2 ) 理论指导作用
T1 提高 c T2
提高高温热源的温度现实些
31
3)理论说明低温热源温度T2 0
说明热机效率 且只能 进一步说明 •热机循环不向低温热源放热是不可能的
T
(2) 等压膨胀：系统吸热 O V1 V2 V 系统内能增加，且对外做功； 等温膨胀：系统吸热，全部用来对外做功，内能不变； 绝热膨胀：系统不吸收热量，靠减少系统的内能对外做功
PQ
D
等压：内能增加；等温：内能不变；绝热：内能减少。
(3) 等压膨胀过程吸热最多。（4）绝热线比等温线陡 22
例2: 一mol单原子理想气体在汽缸中，设汽缸与活塞无 摩擦，开始时，P1=1.013*105Pa， V1=1.0*10 –2m3 ，将 此气体在等压下加热，使其体积增大一倍，然后在等体 下加热至压强增大一倍，最后绝热 膨胀为起始温度。 (1)画P-V图(2)求内能的增量(3)过程中的功 解： (1)图示 (2)0 (3) P2
3第二章热力学第一定律

3第二章热力学第一定律

闭口系：能量传递只有传热 作功两种 对许多闭口系统而言， 传热和 两种； ●对闭口系：能量传递只有传热和作功两种；对许多闭口系统而言，动 均无变化，无流动功。 能 Ek 位能Ep均无变化，无流动功。 对开口系 传热、作功、流动功。 口系： ●对开口系：传热、作功、流动功。
●闭口热力系统总储存能的变化： △E=△U=U2-U1 闭口热力系统总储存能的变化：
热力学第一定律： 热力学第一定律： Q －W=△E=△U 或 Q =△U+ W
Q
W
一、闭口系统能量方程式
Q = U + W 一 δQ = dU + δW
般 式 q = u + w
Q
W
δq = du + δw δq = du + pdv
2
单位工质
适用条件： ） 适用条件：1）任何工质 2) 任何过程
●过程量
符号w ●符号
轴功
●定义 ●符号 ●实例
系统通过机械轴与外界传递的机械功 ws 规定系统输出轴功为正，输入为负 规定系统输出轴功为正， ws
…………… …………… …………… …………… ……………
ws
闭口系统
开口系统
2-4 焓enthalpy
流动工质传递的总能量 pV + U + 0.5mc2 + mgz h= u + pv 定义焓： 定义焓：H=U+ pV 单位： 单位： J（kJ） kJ） J/kg（kJ/kg） J/kg（kJ/kg） 对理想气体：h=u+pv=u+RT=f( ●H是状态参数 ，对理想气体：h=u+pv=u+RT=f(T) 是 H为广延参数 h为比参数 ● H为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh， h为比参数 物理意义： ●物理意义：
第三章热力学第一定律内能

第三章热力学第一定律内能


如果是等温膨胀,则
A M RT ln V2 1 8.31 300 ln 10 1.44 103(J )
V1 4
25
P
P1
P2
a
T1
b
T2
V1
V2
V
26
例2. 两个绝热的体积分别为V1和V2的容器, 用一个 带有活塞的管子连起来，打开活塞前，第一个容器
盛有氮气，温度为T1，第二个容器盛有氢气，温度
(Q )V
M
CV dT
从热力学第一定律
用于热力学第一定律则有:
M
dU CV dT
已知理想气体内能
可得
U M i RT
2
从分子运动论
定容摩尔热容 与自由度有关
气体的定压摩尔热容
定压过程:P=常量, d P =0 过程方程: V/T=常量
Q P=恒量
根据
PV M RT
P
Ⅰ
II
P
得 dA PdV M RdT
氧 28.9
21.0
7.9 1.40
三原子 水蒸气 36.2
27.8
8.4 1.31
乙 醇 87.5
79.2
8.2
1.11
例题 一气缸中有氮气,质量为1.25kg,在标准大气
压下缓慢加热,使温度升高1K.试求气体膨胀时所做
的功A、气体内能的增量U及所吸收的热量Q.(活
塞的质量及它与汽缸壁的摩擦均可忽略.)
第一类永动机
§2 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用
2.1 理想气体的热容量 气体的定容摩尔热容
定容过程: V=常量, d V =0 过程方程:
Q
P
V=恒量
P2
第三章能量与热力学第一定律

第三章能量与热力学第一定律


理想气体 cv
cp k=cp/cv
单原子气体 1.5R
2.5R 1.667
双原子气体 2.5R
3.5R 1.40
多原子气体 3.5R
4.5R 1.286
第三节 理想气体的显热计算
五、显热的计算
• 4.采用真实摩尔定压热容计算显热qp • 无机气体 • 有机气体
q p h c p dT
1 2
作业
• P50,3-7
第三节 理想气体的显热计算
• 显热的定义
• 指工质在不发生相变化和化学变化的条件下，在 加热或冷却过程中吸收或放出的热量。
第三节 理想气体的显热计算
一、比热容
• 1.定义：1 kg物质温度变化1K时与外界交换的显 热，称为物质的比热容。用符合c’表示。 • 2.单位：J/(kg· K)或kJ/(kg· K) • 3.影响因素：工质的性质；换热方式；工质所处 的状态。 • 思考：水的比热容是多少？ oC) • 4200 J/(kg·
T1 T2
c p ao a1T a2T 2 a3T 2
c p ao a1T a2T 2 a3T 3
q p h c p t t t2 t1
1 2
• 5.采用平均摩尔定压热容计算显热qp
T2
c p t t
1 2
qp t 2 t1
第一节 热力学第一定律的实质
• 例3-2 对定量的某种气体提供热能100kJ,使其由 状态1沿A途径变化至状态2，同时对外做功60 kJ。 若外界对该气体做功40 kJ，迫使它从状态2沿B途 径返回至状态1，问返回过程中工质是吸热还是放 热？其量为多少？又若返回时不沿途径B而沿途 径C，此时压缩气体的功为50 kJ，问C过程中有 无吸收热量?
热力学第三章 热一律

热力学第三章 热一律



out m out

h c / 2 gz


2
in min Wnet

一、稳定流动条件



1、 m out m in m

2、 Q Const , W net Const Ws

Ws为轴功 Shaft work
3、 CV内总能不随时间变化： dEcv/=0
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
二、开口系能量方程的推导
Wf= moutpoutvout- minpinvin e=u+c2/2+gz
带入的能量
ein+ minpinvin CV
= u+c2/2+gz+ minpinvi
h=u+pv
二、开口系能量方程的推导 定义 h=u+pv为 比焓，将推导结 果进行整理得开 口系能量方程的 一般形式：
二、稳定流动方程
Q m h c / 2 gz out h c / 2 gz in Ws



2

2


Q mq
2


Ws m ws
2


q ( h c / 2 gz ) out ( h c / 2 gz ) in ws

q h c / 2 g z ws
dU 代表某微元过程中系统通过边界 交换的微热量与微功量两者之差值，即 系统内部能量的变化。 U 代表储存于系统内部的能量
内部储存能（内能）
内能
分子动能（移动、转动、振动） 分子位能（相互作用） 核能 化学能
大学物理第三章热力学第一定律第四章热力学第二定律

大学物理第三章热力学第一定律第四章热力学第二定律


B C AD
氮气 氦气
35
B C AD
氮气 氦气
解： 取（A+B）两部分的气体为研究系统， 在外界压缩A部分气体、作功为A的过程 中，系统与外界交换的热量 Q 0
Q E ( A) 0
36
B
氮气
C
AD
氦气
系统内能的变化为
E E A E B
5 E B RTB 2
内能：态函数,系统每个状态都对应着一定内能的数值。 功、热量：只有在状态变化过程中才有意义，状态不 变，无功、热可言。
9
五、热力学第一定律
1. 数学表式 ★ 积分形式 ★ 微分形式
Q E A
dQ dE dA
10
2. 热力学第一定律的物理意义 （1）外界对系统所传递的热量 Q , 一部分用于 系统对外作功，一部分使系统内能增加。 （2）热一律是包括热现象在内的能量转换和守恒 定律。
m i E RT M2
m i i m E RT R T末 T初） （ M2 2M
i dE RdT 2
8
注意 ：
10 作功和传热对改变系统的内能效果是一样的。 （要提高一杯水的温度，可加热，也可搅拌）
20 国际单位制中，功、热、内能单位都是焦耳（J）。 （1卡 = 4.18 焦耳) 30 功和热量都是系统内能变化的量度,但功和热本身不 是内能。
绝热线
斜 率
PV C1
dP K 绝热 dV
P V
26
K 绝热 同一点 P0，V0，T0 斜率之比 （ ） K 等温
P0 K绝热 V0 P0 K等温 V0

P
a
等温
结论：绝热线比等温线陡峭
高中物理人教版选修三热力学第一定律能量守恒定律

高中物理人教版选修三热力学第一定律能量守恒定律

答案：2.4×10－3℃
点评：搞清能量转化的物理情景及转化过程中的数量关 系，由能量守恒定律来列方程求解。
(2012·潍坊市高二联考)如图所示，密闭绝热容器内有一 绝热的具有一定质量活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为 真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧 一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩 后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时 的弹性势能为零)。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动， 经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此 过程( )
题型3 综合应用
(2012·青州模拟)(1)如下图所示，一演示用的“永 动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状 记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸 展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅 速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是 ()
A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
(2)如图2所示，内壁光滑的气缸水平放置，一定质量的 理想气体被活塞密封在气缸内，外界大气压强为P0，现对气 缸缓慢加热，气体吸收热量Q后，体积由V1增大为V2，则在 此过程中，气体分子平均动能________(选填“增大”、“不 变”、或“减小”)，气体内能变化了______。
解析：(1)形状记忆合金进入水后受热形状发生改变而搅 动热水，由能量守恒知能量来源于热水，故A、B、C错；由 能量守恒知，叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能，一 部分释放于空气中，故D对。
(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的 距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了。
物理化学 02章_热力学第一定律(三)

物理化学 02章_热力学第一定律(三)



因为 所以
p1V1 p2V2 K
p2V2 p1V1 nR(T2 T1) W= 1 1
绝热功的求算 （2）绝热状态变化过程的功
W U CV dT
T1
T2
= CV (T2 T1)
(设CV 与T 无关）
因为计算过程中未引入其它限制条件，所以
该公式适用于定组成封闭系统的一般绝热过程， 不一定是可逆过程。
Th
D(p4 ,V4 , TC )
C (p3 ,V3 , TC )
环境对系统所作的功如
O
Tc
DA曲线下的面积所示。
a
d
b
c
V
Carnot 循环
过程4：绝热可逆压缩
p
A(p1 ,V1 , Th ) B(p2 ,V2 , Th )
D( p4 ,V4 , TC ) A( p1,V1, Th )
Th
D(p4 ,V4 , TC )
表示经节流过程后，气体温度随压 力的变化率。
J-T是系统的强度性质。因为节流过程的 dp 0 ,
所以当：
J-T >0 J-T <0 J-T =0
经节流膨胀后，气体温度降低。 经节流膨胀后，气体温度升高。 经节流膨胀后，气体温度不变。
转化温度（inversion temperature)
Qc ' Tc W Th Tc
式中W表示环境对系统所作的功。
热泵
热泵的工作原理与致冷机相仿。
把热量从低温物体传到高温物体，使高温物体
温度更高。
热泵的工作效率等于：向高温物体输送的热与
电动机所做的功的比值。
热泵与致冷机的工作物质是氨、溴化锂（氟
第三章热力学第一定律

第三章热力学第一定律

x=p’2A/k=0.04m=4cm 终态体积：V2=V1+Ax=1120cm3 终态温度：
• 气缸内空气质量： • 终态吸收的热量：
• 提示：
（1）计算功时如果无法判断工质进行的过程 性质，此时用系统内部参数难以分析，可 直接用外部效果来求解。
（2）注意系统内能和比内能的区别。必须乘 上质量。
量称为热量。
2
q Tds
1
2、特点： （1）热量是过程量，与初、终状态和过程特
性有关。
（2）热量一旦通过界面传入（或传出）系统， 就变成系统（或外界）储存能的一部分， 即内能。有时习惯上称为热能。
从微观角度看：
• 热量——所起的作用是无规热运动能量 的传递。
二、功量 • 系统通过界面和外界进行的机械能的交换
Wre pdV
相同点：功和热量都是过程量。只有在系 统和外界通过边界传递能量时才有意义， 一旦它们越过界面，便转化为系统或外界 的能量。
不能说在某状态下，系统或外界有多少功 或热。
不同点：
（1）功是热力系与外界之间在压差的推动下， 通过宏观有序的运动（有规律的运动）的 方式进行传递能量。换而言之，借作功来 传递能量总是和物体的宏观位移有关。
• 焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当 量，用实验确定了热力学第一定律，补充 了迈尔的论证。
• 热力学第一定律是能量转换和守恒定律在 热现象上的应用。
能量守恒定律反映了自然界中物质所具有 的能量既不能创生，也不能消失，而只能 从一种能量形态转换为另一种能量形态， 转换中能量的总量在数量上守恒。
• 热力学第一定律阐明： 1、功与热量在能量方面的等效性； 2、功与热量相互转化的可能性。
注意：流动功不象其它功，流动功是以状 态参数来表示（两状态参数p, v的乘积）， 流动功是状态量。
10-3热力学第一定律_能量守恒定律

10-3热力学第一定律_能量守恒定律


练习3
下列说法正确的是 （
D
）
A．外界对一物体做功，此物体的内能一定增加 B．机械能完全转化成内能是不可能的 C．将热量传给一个物体，此物体的内能一定改变 D．一定量气体对外做功，气体的内能不一定减少
例题4
一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一 系列变化后又回一开始的状态，用W1表示外界对气 体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体 吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个过 程中一定有 （ A ） A．Q1—Q2=W2—W1 C．W1=W2 B．Q1=Q2 D．Q1>Q2
分析：根据热力学第一定律U＝W＋Q，知 U＝－75J＋50J＝－25J 式中负号说明内能减少了。 答案：减少 ; 25。
例题2：一定量的气体从外界吸收了 2.6×105J的热量，内能增加了4.2 ×105J。
问：①是气体对外界做了功，还是外界对气体 做了功？做了多少焦耳的功？
②如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变， 但是内能只增加了1.6×105J，这一过程做功情 况怎样？
焦耳（Joule，1818－1889） 英国人 热功当量 4.18J/Cal 1956年国际计量大会规定 热功当量：4.1868J/Cal
为能量守恒定律奠定了牢固的 实验基础
焦耳
亥姆霍兹（ Helholtz，1821－1894）
德国科学家
提出势能和动能的转换 （依据：永动机不可能制成）
亥姆霍兹
能量守恒与转换定律的表述
历史上的永动机模型
滚珠永动机 滚珠永动机是利用格板 的特殊形状，使一边重球滚 到比另一边的距离轮心远些 的地方。设计者本以为在两 边重球的作用下会使轮子失 去平衡而转动不息，但试验 的结果却是否定的。

热力学第一定律的表达式

热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式：ΔE=W+Q。

在热力学中，热力学第一定律通常表述为：热能和机械能在转化时，总能量保持不变。

其数学表达式为ΔE=W+Q，其中ΔE表示系统内能的改变，W表示系统对外所做的功，Q表示系统从外界吸收的热量。

这个定律表明，能量的转化和守恒定律是自然界的基本定律之一，它适用于任何与外界没有能量交换的孤立系统。

换句话说，在一个封闭系统中，能量的总量是恒定的，改变的只是能量的形式。

因此，热力学第一定律是能量守恒定律在热现象领域中的应用。

另外，对于一个封闭系统，如果系统内部没有发生化学反应或相变等过程，那么系统对外做的功等于系统从外界吸收的热量。

这是因为系统内能的改变量等于系统对外做的功和系统从外界吸收的热量之和。

值得注意的是，热力学第一定律也适用于非平衡态系统。

即使系统处于非平衡态，热力学第一定律仍然适用。

因此，它不仅是热力学的基石之一，也是整个物理学的基石之一。

为了更好地理解热力学第一定律，我们可以考虑一些具体的应用场景。

例如，在汽车发动机中，汽油燃烧产生的热能转化为汽车的动能和废气中的内能。

在这个过程中，系统内能的改变量等于系统对外做的功和系统从外界吸收的热量之和。

因此，根据热力学第一定律，我们可以计算出汽车发动机的效率，从而评估其能源利用效果。

此外，热力学第一定律还可以应用于电学、化学等领域。

例如，在电学中，当电流通过电阻时会产生热量，根据热力学第一定律可以计算出电阻产生的热量。

在化学中，反应热的计算也可以根据热力学第一定律来进行。

以下是一些具体例子，说明热力学第一定律的应用：1. 热电站：在热电站中，燃料燃烧产生的热能转化为蒸汽的机械能，再转化为电能。

根据热力学第一定律，热能被转化为机械能和电能，而总能量保持不变。

通过计算输入和输出的能量，我们可以评估热电站的效率。

2. 制冷机：制冷机是一种将热量从低温处转移到高温处的设备。

在制冷过程中，制冷剂在蒸发器中吸收热量并转化为气态，然后通过压缩机和冷凝器将热量释放到高温处。

第三章 热力学第一定律

由热力学第一定律
Q=
p1 p1 A = pV1 ln p = p2V2 ln p 1 2 2
4. 绝热过程
1)理想气体准静态绝热过程 ) 由 特征: 特征:
Q=0
pV =ν RT
取全微分
pdV +Vdp =ν RdT ( ) 1
由热力学第一定律
) ν dA = pdV= dE= CV ,mdT (2)
Q > 0 系统从外界吸热; 系统从外界吸热;
系统内能增加; E > 0 系统内能增加; 系统对外界做功; A > 0 系统对外界做功; 微分形式 dQ = dE + dA
Q < 0 系统向外界放热; 系统向外界放热;
系统内能减少; E < 0 系统内能减少; 外界对系统做功. A < 0 外界对系统做功.
C= mc
m
4.定体摩尔热容C 4.定体摩尔热容CV,m 定体摩尔热容
C =νCm 单位:J/mol 单位:J/mol
K
一摩尔气体在体积不变时,温度改变1 时所吸收或放出的热量. 一摩尔气体在体积不变时,温度改变1K 时所吸收或放出的热量.
1 dQ 1 dE 1 d i )V = = ( νRT) = i R CV,m = = ( ν dT ν dT 2 2 ν ν dT
第三章 热力学第一定律
§ 3.1 准静态过程 § 3.2 功,热,内能 § 3.3 热力学第一定律 § 3.4 热容量 § 3.5 理想气体的绝热过程 § 3.6 循环过程 § 3.7 卡诺循环 § 3.8 致冷机 从能量角度出发, 从能量角度出发,分析研究热力学系统状态变化 时有关热功转换的关系和条件. 时有关热功转换的关系和条件.
p↓

第三章 热力学第一定律


c1, u1 p1v1 z1
微元热力 过程
m1
1
开口系统
控制体 τ到(τ+dτ) 时间
1 2
Ws m2 c2 ,u2 p2v2
Q
基准面
2
z2
开口系能量方程普遍式
进入控制体的能量
=Q + m1(h1+c12/2 + gz1)
离开控制体的能量
= Ws + m2(h2 +c22/2 + gz2)
q u pdv
1
闭口系能量方程 一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w Q W
单位工质
闭口系能量方程中的功 功 （ w） 是广义功 闭口系与外界交换的功量 q = du + w 可逆容积变化功 拉伸功 表面张力功 pdv w拉伸= - dl w表面张力= - dA
适用条件：不稳定流动和稳态稳流、可逆与不 可逆、开口与闭口系统
【例题3-3 】 储气罐原为真空 输气总管状态不变，p1，T1 经时间充气，关阀门 储气罐中气体p’=p1 储气罐、阀门均绝热 理想气体，充气时罐内气体状态均匀变化 求：充气后储气罐内压缩空气的温度 p1，T1
两种可取系统
1）取储气罐为系统 p1，T1 开口系 2）取最终罐中气体为系统 闭口系
w = pdv - dl - dA +…...
二.闭口系循环的热一律表达式
Q W
p
1 a
b 2
V
要想得到功，必须花费热能或其它能量 热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”
三.理想气体 u的计算

新人教版高中物理选修3-3课件 热力学第一定律 能量守恒定律

答案：ABC
5．一定质量的气体从外界吸收了 4.2×105 J 的热量， 同时气体对外做了 6×105 J 的功，问：
(1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？ (2)分子势能是增加还是减少？ (3)分子的平均动能是增加还是减少？
解析：(1)气体从外界吸热为 Q＝4.2×105 J，气体对外做 W＝ －6×105 J，
2．公式 ΔU＝Q＋W Байду номын сангаас符号的规定
符号
W
Q
ΔU
＋ 外界对系统做功 系统吸收热量 内能增加
－ 系统对外界做功 系统放出热量 内能减少
3.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则 Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等
于物体内能的增加。
(2)若过程中不做功，即 W＝0，则 Q＝ΔU，物体吸收的热量等
于物体内能的增加。
[解析] 由热力学第一定律可得 ΔU＝W＋Q＝ 500 J＋(－100 J)＝400 J，即缸内气体内能增加 400 J，气体温度升高，故选项 A 正确，B、C、D 错 误。
[答案] A
[点评] 应用热力学第一定律解题的方法 1．明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。 2．分别找出题目中研究对象吸收或放出的热量；外界对研 究对象所做的功或研究对象对外界所做的功；研究对象内能的 变化量。 3．根据热力学第一定律 ΔU＝Q＋W 列出方程进行求解。 4．特别注意物理量的正负号及其意义。
解析：自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明 机械能在减少，A、C 错误；减少的机械能通过摩擦 转化成了内能，B 错误，D 正确。
答案：D
[知识预览] 1．热力学第一定律的理解和应用 2．能量守恒定律的理解和应用
1.对热力学第一定律的理解 (1)热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能 的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的 定量关系。 (2)定律的表达式 ΔU＝Q＋W 是标量式。 (3)应用时各量的单位应统一为国际单位焦耳。

第3 章 热力学第一定律


§ 4 热力学第一定律 一、热力学第一定律 二、理想气体的摩尔热容 三、经典热容理论的局限性
热力学第一定律：关于系统在状态变化中能量 遵循的规律 。
一、热力学第一定律 1. 内容（107） 公式 成立条件
Q E2 E1 A 初末态是平衡态
dQ dE dA 适用一切过程 一切系统
2.若加一些条件 若为准静态 若为理想气体 若理气准静态
第 3 章 热力学第一定律 §1 热力学过程分类 §2 功 准静态过程中体积功的计算 §3 热 热量的计算 §4 热力学第一定律 §5 绝热过程 §6 循环过程和热机
§1 热力学过程的分类 一、 分类 二、改变热力学状态的两种能量交换形式
一、热力学过程 1.定义：系统状态发生变化的过程 2.分类：准静态过程与非静态过程
计算系统对外作的功
p
S
dl
设活塞面积为 S，在某一 时刻，压强为 ，p 气体 推动活塞移动 dl
气体对外作功为：
dA pSdl pdV
2）公式1 ： 微小过程 dA P dV
公式2：有限过程 注意：准静态过程 2.体积功的图示：
V2
A PdV
V1
P
1）P~V图曲线下的面积。
V
2）关于功---过程量的图示。 示功图
②结论：“无限缓慢”的过程是准静态过程。 二. 改变系统热力学状态的两种方式
1.方式 有两种
作功:外界 系统 传热:外界 系统
2.举例： 1） 从外界传热 2） 利用外界作功
T1 T2
§2 内能 功
一、系统的内能 1.内能的微观构成：
分子热运动的动能，分子间的相互作用能， 分子、原子内的能量，原子核内的能量， 等等。 通常，经过一个热力学过程，发生变化的只 是和热运动相关的那部分能量。

第三章 热力学第一定律


1 2 e = u + ek + e p = u + c + gz 2
系统储存能的增量为： 系统储存能的增量为：
1 2 △E = △u + m(c2 − c12 ) + mg ( z2 − z1 ) 2
第二节 系统与外界传递的能量
系统与外界传递的能量随所选系统的形式不同而异， 系统与外界传递的能量随所选系统的形式不同而异，应分别处理 一、闭口系统能量传递的形式：只有热量与功量 闭口系统能量传递的形式： 热量和功量正负的规定： 热量和功量正负的规定： 系统吸热为正； 系统吸热为正；放热为负 系统对外做功为正；系统得功为负 系统对外做功为正； 膨胀功---是热力学中最重要的概念之一， 膨胀功 是热力学中最重要的概念之一，它是热能与机械能相 是热力学中最重要的概念之一 互转换的必要途径。 互转换的必要途径。没有气体的膨胀就不能实现热能与机械能 的转化。 的转化。 在闭口系统中，膨胀功是通过系统的边界传递的， 在闭口系统中，膨胀功是通过系统的边界传递的，如活 塞连杆机构
也就是
∫ δq = ∫ δw
证明过程也进一步说明： 是状态参数 是状态参数， 证明过程也进一步说明：u是状态参数，因为循环一周 回到初态后 △u=0
证明理想气体内能变化计算式为： 例2 证明理想气体内能变化计算式为： du = cV dT 证明：设有刚性容器盛有 理想气体， 证明：设有刚性容器盛有1kg理想气体，对其加热，使其温 理想气体 对其加热， 度由T变为 度由 变为 T+dT 由定容比热定义知，气体吸收的热量为： 由定容比热定义知，气体吸收的热量为：
1 2 H + mc + mgz 2
重点
①理解熟记储存能的组成 ②开口系统随物质传递的能量的形式 ③深刻理解内能与焓的定义及状态参数 的特点（与路径无关） 的特点（与路径无关）
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。 。
4．在268.15Ｋ，Ａ、Ｂ两个抽空的容器中分别为100g 和200g 水。当达到 气液平衡时，两个容器中的水蒸气压力分别为ｐA 和ｐB，则有（ ）。 A. pA<pB B.pA>pB C.pA=pB D.无法确定
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2012-8-2
5．加压使实际气体液化，必要条件是气体要达到（ ）。 Ａ.波义耳温度之下Ｂ。临界温度之下 Ｃ.温度低于沸点心Ｄ。临界温度之上 6．在一定Ｔ、ｐ下，某实际气体的Ｖｍ大于理想气体的Ｖｍ，则该气体的压缩 因子Ｚ（ ）。 Ａ．＝１ Ｂ．＞１ Ｃ．＜１ Ｄ．无法确定 7．下面关于压缩因子Ｚ的阐述中，正确的是（ ）． Ａ．Ｚ主要用于对实际气体ｐ、Ｖ、Ｔ的计算 Ｂ．同一温度下，各种气体的Ｚ都随压力而变化 Ｃ．Ｚ＞１，气体不易压缩，而Ｚ＜１，气体易压缩 Ｄ．Ｚ＞１，气体不易液化，而Ｚ＜１，气体易液化
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2012-8-2
系统分类
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。
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系统分类
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。
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。 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。指 定了物质的量的容量性质即成为强度性质，如摩 尔热容。
8．设ｉ为理想混合气体中的一个组分，下面正确的是（ ）
9．两种不同气体处于对应状态时，则它们（ ）相同． Ａ．压力Ｂ．温度计Ｃ．压缩因子Ｄ．pVm
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2012-8-2
１0．混合理想气体的组分Ｂ，其物质的量ｎB 为( ).
１1．关于临界点的性质，下面描述不正确的是（ ）． Ａ．液相摩尔体积与气相摩尔体积相等 Ｂ．液相与气相之间不存在界面 Ｃ．气、液、固三相共存 Ｄ．气化热为零
描写体系状态的方法: 经典力学:用组成体系粒子的坐标与动量或者体系的广义坐标 和广义动量 量子力学:用波函数描述的状态称为量子态，是状态的量子力 学微观描述法 统计力学:用分布率描述的状态称为统计态，是状态的统计描
述法
热力学:用一组独立的宏观参量描述体系的状态，称为态的热 力学描述法或宏观描述法
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基本要求
理解热力学概念：平衡态、状态函数、可逆过程、反应
进度、热力学标准态； 理解热力学第一定律的叙述和数学表达式； 掌握热力学能、焓、标准摩尔反应焓、标准摩尔生成焓、 标准摩尔燃烧焓等概念； 掌握pVT 变化、相变化和化学变化过程中，热、功及状 态函数U、 H 的计算原理和方法，会用状态方程 （理想气体状态方程）和有关物性数据（摩尔热容、 相变焓、饱和蒸气压等）。
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本章内容
• • • • • • • • • • §2-1热力学基本概念及术语 §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热力学第一定律对理想气体的应用 §2-6热力学第一定律对一般固、液体的应用 §2-7热力学第一定律对实际气体的应用 §2-8热力学第一定律对相变化的应用 §2-9热力学第一定律对化学变化的应用 本章小结与学习指导
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本章小结： 理想气体状态方程 气体计算方法 实际气体状态方程 压缩因子图
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2012-8-2
1．理想气体微观模型必须具有的两个特征是 和 。 2．恒温条件下测定了一系列低压下的某气体 和 值，则可在pVm-p 图上用 法求取气体常数R 的准确值。 3．要使气体液化，一般需要 和 。 4．在恒压下，为了将某容器中300K 的气体赶出1/3，需将容器（设容积不变 ）加热到 K． 5．在300.15K 、200kPa 下，测得Ne与Ar混合气体的密度为2.37kg·-3。则混 m 合气体中Ne的分压力为 kPa 。 6．在临界点处等温线的一阶、二阶偏导数 ，即
强度量
符号
V A Q S nB U H F G Cp CV,m
名称
压力 表面张力 电动势 热力学温度 物质B的化学势 摩尔内能 摩尔焓 体膨胀系数 等温压缩系数 摩尔等压热容 摩尔等容热容
符号
p

E T
B
Um Hm

Cp,m CV,m
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三、状态和状态函数
加 25℃, py 25℃, py 热 20dm3 20dm3
2 py T2’
2py T2
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2012-8-2
判定：下列为何种体系？
电阻丝
电池
敞开系统
敞开系统
电阻丝 +电池
水
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封闭系统
2012-8-2
二、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：
7 ． 若不同的气体有两个对比状态参数彼此相当，则第三个对比状态参数
。
8．对于一定量的组成不变的气体，则
9．恒压下，物质的量恒定的某理想气体，其温度随体积的变化率
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2012-8-2
10．某实际气体在366.5K，2067kPa 时临界温度Tc=385.0K, 临界压力ｐ c=4123.9kPa 。则该气体的对比温度Tr＝ ，对比压力ｐr＝ 11. 当液体的蒸气压与外压相当时，液体就开始沸腾，此时的温度称为 二、选择题 １．对于实际气体，下列与理想气体相近的条件是（ ）。 A．高温高压 B.。高温低压 C。低温高压 D。低温低压 2．理想气体状态方程pV＝nRT 包括了三个气体定律，它们是（ ）。 A．波义尔定律、盖-吕萨克定律和道尔顿定律 B．波义尔定律、阿伏加德罗定律和阿马格定律 C．阿伏加德罗定律、盖-吕萨克定律和波义尔定律、 D．盖-吕萨克定律、阿伏加德罗定律和阿马格定律 3．对于理想气体，下面不正确的是（ ）。
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2012-8-2
描述系统需要用到热力学性质，研究系统要涉 及状态和状态函数。
这里所说的状态是指静止的系统内部的状态,即 热力学态,与系统的在环境中机械运动的状态无 关。在本书中，研究的都是热力学平衡状态（热 平衡、力平衡、相平衡和化学平衡）。
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2012-8-2
§2.1 热力学基本概念
一、系统与环境 二、系统的性质 三、状态和状态函数 四、平衡态 五、过程和途径 六、过程函数 七、内能 八、焓
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2012-8-2
一、系统与环境
系统（System） 在科学研究时必须先确定研 究对象，把一部分物质与其余 分开，这种分离可以是实际的 ，也可以是想象的。这种被划 定的研究对象称为系统，亦称 为物系或体系。 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。
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(状态与状态函数
之间是单值函数)； 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 。 (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。)
②从数学上来看，状态函数的微分具有全微分的特性，全
第一章
气 体
Chapter 1 Gas
• 本章基本要求： • 掌握理想气体状态方程 • 掌握理想气体的宏观定义及微观模型 • 掌握分压、分体积概念及计算。 • 理解真实气体与理想气体的偏差、临界现象。 • 掌握饱和蒸气压概念 • 理解范德华状态方程、对应状态原理和压缩因子图，了解 对比状态方程及其它真实气体方程。
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2012-8-2
系统分类
根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类： （3）孤立系统（isolated system） 系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故 又称为隔离系统。有时把封闭系统和系统影响所及的环 境一起作为孤立系统来考虑。
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2012-8-2
3.
4. 5.
体系的划分是人为的，划分恰当，可以很容易解 决问题，划分不当，有可能不能解决问题
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2012-8-2
例7 装置如图，始态时绝热理想活塞两侧容器各为20dm3， 均充满25℃, pӨ的N2。对左侧气室缓慢加热，直至室内压力 为2pӨ。请分别以右室气体，左室气体和全部气体为系统， 求算Q, W, U, H（N2可视为理想气体）
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2012-8-2
状态函数
p V
性 质
T
Cp
…
描述了
总和
使成为确定
状态
U 纯物质单相系统有各种宏观性质，如温度T，压力p,体 积V，热力学能U 等等。系统的状态是它所有性质的总体 表现。状态确定以后，系统所有的性质也就确定了。与达 到该状态的历程无关。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（state function）。所以，各种性质均为状 态的函数。 上一内容 下一内容 回主目录 返回 2012-8-2