热2.热力学第一定律-2

热力学第一定律与第二定律热力学是研究能量与热的转化和传递规律的科学，它是自然科学中重要的分支之一。

在热力学中，第一定律和第二定律是两个基本的定律，它们定义了能量守恒和能量转化的方向，对于理解热力学系统的行为和实际应用具有重要意义。

1. 热力学第一定律热力学第一定律，也称为能量守恒定律，表明能量在系统与环境之间的传递和转化后总量保持不变。

它可以通过下式表达：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外界做的功。

根据热力学第一定律，一个封闭系统的能量是守恒的，能量既不能被创造也不能被销毁，只能从一种形式转化为另一种形式。

热力学第一定律还可以用来推导出热机效率的表达式。

在一个热机中，根据热力学第一定律，系统吸收的热量等于系统对外界做的功加上系统内能的变化。

根据这个原理，我们可以得到热机效率的公式：η = 1 - Qc/Qh其中，η表示热机的效率，Qc表示热机向冷源放出的热量，Qh表示热机从热源吸收的热量。

这个公式表明，在一个热机中，不能把吸收的热量完全转化为功，一部分热量必须放出到冷源中，效率小于1。

2. 热力学第二定律热力学第二定律是热力学中最重要的定律之一，它表明热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，而是自发地从高温物体传递到低温物体。

热力学第二定律有多种等效的表述方式，其中最常见的是克劳修斯表述和开尔文表述。

克劳修斯表述中，热量不会自发地从冷热源传递到热热源，即不存在一个热机，它只从一个热源吸热，然后完全转化为功，再把一部分热量放到冷热源上，不对环境产生任何影响。

这相当于说，在一个封闭系统中，不存在一个循环过程，使得系统对外界做的功等于输入的热量。

这个等效表述被称为克劳修斯表述。

开尔文表述中，不可能制造一个只从一个热源吸热，然后完全转化为功的热机，而不对环境产生任何影响。

这相当于说，在一个封闭系统中，不存在一个循环过程，使得系统吸收的热量完全转化为功，不放出热量到冷热源。

水气+空气
绝热壁 热水 冷水
热水为系统：Q<0，系统散热；
整个容器内部为系统：Q＝0，系统内部进行热传递，不与 环境进行热交换。
2．功 定义： 热力学中，称除热以外其它各种形式传递的能量为功 ， 用W表示 ，它是一种机械有序的能量。 说明：
a.功是过程函数，微量功用W表示 。
b.规定：系统对环境做功
用U表示，单位：J，kJ
热力学能包括：分子的平动能、转动能、振动能、电 子运动能、核运动能及分子间相互作
用的势能。
说明： a. U不包括系统宏观运动的动能和势能
b. U为具有广度性质的状态函数
U f (T , V )
U U dU dT dV T V V T
无能量交换也无物质交换
孤立系统
系统+环境=孤立系统
水气 水
电 阻 丝
水气 水
电 阻 丝
水气
绝热壁
水
敞开系统
封闭系统
孤立系统
（以整个容器为系统）
二、状态与状态函数
1．状态：系统存在的状况，是系统所有性质的综合表现。 2．状态函数：用来描述系统状态的参数。如T、p、V、U、
H、S等。
3. 状态函数的特征： ① 状态函数是状态的单值函数。 状态一定，所有的状态函数定；若状态改变，至少有 一个状态函数变。
② 状态函数的变化值仅与始、末态有关，与具体的
实现过程无关；状态函数的变化量=终态的函数值 −始态的函数值。如： T T 2 T1 状态函数的变化量为零。 ③ 状态函数间有一定的联系，一个函数可以用其它的 函数来表示，状态函数的变化值在数学上是全微分 的。 例：对于定量纯物质的单相系统 ；循环过程

r H m,2
r H m,3 r H m,1 r H m,2
§2.4 摩尔热容
显热（pVT变化中的热） 摩尔热容
热
潜热（相变热） 相变焓
反应热(焓) 标准摩尔生成焓和燃烧焓
主要介绍摩尔定容热容和摩尔定压热容
1. 摩尔定容热容 (1) 定义 在某温度T 时，物质的量为n 的物质在恒容且
例如：求C(s)和O 2 (g)生成CO(g)的反应热。 已知：（1） C(s) O 2 ( g ) CO 2 (g)
（2） CO(g) 1 O2 (g) CO2 (g) 2 则 （1）-（2）得（3） （3）C(s)
1 O (g) CO(g) H r m,3 2 2
r H m,1
(
Vm T
)
p
一般物质CP, m 大于CV, m
因为ΔT相同时，等容过程中，升高温度，体 系所吸的热全部用来增加热力学能；而等压过程 中，所吸的热除增加热力学能外，还要多吸一点 热量用来对外做膨胀功。
C p ,m - C V ,m
理想气体：
轾 Um龆 娑 琪 = 犏 + p 琪V 桫 犏抖 m T 臌
)
+ p
p
(
Vm T
)-(
T
Um T
)
V
由 U m = f (T ,V m ) 舵 m U dU m = 抖 T
(
)
V
饿 U dT + 琪 m 琪V 桫 m
dV m
(
抖 m U 抖 T
) =(
p
Um T
)
V
娑U m 龆 +琪 琪V 桫 m T 抖
(
Vm T

假定控制容积形状、大小、空间位置均不随时间改变。
——因而统计系统的总能时，不考虑系统整体的外观能量，但要计及 流体的流动动能，重力位能以及热力学能。
假定系统除与外界有物质流交换，在没有质量流穿越的边界
上还可以有传热和作功的相互作用。
假定进、出口截面上存在局部平衡。 假定流动为一元流动
——仅在沿流动的方向上才有参数的变化。
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§2-2 热力学能和总能
一、热力学能
物质内部拥有的能量称为热力学能，其组成是： 内动能（分子平移，旋转，振动）
内位能（分子间作用力）
化学能（维持一定的分子结构） 原子能（原子核内部）
如果无化学反应，无核反应， 热力学能 U ＝ 内动能 ＋ 内位能 1kg物质的热力学能称比热力学能 u，单位是J / kg 。 热力学能是热力状态的单值函数，它与路径无关，是状态参数。 u = f（T，v）； u = f（T，p）； u = f（p，v） （2 - 1）
进入系统的能量 - 离开系统的能量 =系统中贮存能量的增加 它适用于任何过程和任何工质的热力系统。 闭口系的能量方程 Q - W = U = U2 – U1 Q = U + W ( 输入) （贮增）（输出） 对于一个微元过程，第一定律的解析式的微分形式： Q = dU + W 对于1kg工质，有 q = u + w q = du + w （2-9）
– p1 u
）
（2-19）
由式（2-18）并考虑q －△u = w，则
wt = w -△（p u）= w -（p2 u
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（2-20）
技术功在示功图上的表示
对可逆过程：wt =