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01章_热力学第一定律及其应用1

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第一章热力学第一定律

第一章热力学第一定律

第一章 热力学第一定律 人生若只如初见，……
第一章 热力学第一定律
问题导入— 冰箱能代替空调吗？
夏天，有一用绝热 材料做成的房间，门窗 紧闭，房内放置一台电 冰箱并通电。若将冰箱 门打开，房间会降温凉 快下来吗？
第一章 热力学第一定律
问题导入 — 自热米饭问题
传统方便食品需要开水浸泡才能食用。 一些特殊人群，如野外探险、旅游、部队 以及民警执行任务等，如果没有开水就无 法食用。自热米饭食用时不用开水、火或 电，撕开外包装，将里面自带的纯净水包 倒在发热包上，水和发热包自动混合升温， 将米饭和菜肴蒸熟，8-15分钟即可食用。
（2）若以绝热容器内所有的水（包 括水蒸气）为研究对象，则为 封闭 系统；
（3）若以绝热容器内所有的物质（包括绝热容器本身）为研究 对象，则为 隔离 系统。
所选取的研究对象不同，则可能分属于不同的系统。
第一章 热力学第一定律
3、系统的性质（宏观性质）
（1）广度性质：与系统所含物质的量有关，具有 加和性。（如质量、体积等）
（1）系统的各种宏观性质都确定后，系统就有确定 的状态；
（2）系统的状态确定后，各种宏观性质也都有确定 的值（定态有定值）。
第一章 热力学第一定律
2、状态函数
（1）概念：系统的宏观性质与其状态间具有单值对应 关系，该对应关系即为状态函数。
例如：对于理想气体，宏观性质 p、V、n、m 和 T
之间存在以下函数关系：
系统 环境
第一章 热力学第一定律
说明：系统与环境的界面可以是实际存在的， 也可以无界面。
例如：以我们现在上课的教室为例
（1）如果以人为系统，则周围的空气就是环境； （系统与环境之间有界面）
（2）如果以人和教室内的空气为系统，则教室外面的 空气就是环境。（系统与环境之间无界面）

热力学第一定律

热力学第一定律
过程。
23
本章学习要求
• 掌握能量、热力系统储存能、热力学能、热量和功量 的概念，理解热量和功量是过程量而非状态参数。 • 理解热力学第一定律的实质能量守恒定律。 • 掌握稳定流动能量方程，能熟练运用稳定流动能量方 程对简单的工程问题进行能量交换的分析和计算。 • 掌握膨胀功、轴功、流动功和技术功的概念、计算及 它们之间的关系。 • 理解焓的定义式及其物理意义。 • 了解常用热工设备主要交换的能量及稳定流动能量方 程的简化形式。
2. 宏观位能： Ep ，单位为 J 或 kJ
Ep mgz
5
热力系总储存能：E ，单位为 J 或 kJ
E U Ek Ep
比储存能：e ，单位为 J/kg 或 kJ /kg
1 2 e u ek ep u cf gz 2
6
内动能-温度 热力学能 (内能U、u) 外储存能 内位能-比体积
∴流动功是一种特殊的功，其数值取决于
控制体进、出口界面上工质的热力状态。
14
根据热力学第一定律, 有 :
1 2 1 2 u1 cf 1 gz1 p1v1 q u2 cf 2 gz2 p2v2 ws 0 2 2
令 upv h，由于u、p、v都是状态参数,所以h也是 状态参数，称为比焓。
对一切热力系统和热力过程,有:
进入系统的能量－离开系统的能量 = 系统储存能量的变化
8
二、闭口热力系的能量方程
如图: Q=△U+W 对微元过程： Q QdUW 或 qduw 即： 热力系获得热量= 增加的热力学能+膨胀做功 对于可逆过程 : qdupdv 或
ΔU
W
qu pdv

第一章 热力学第一定律

第一章 热力学第一定律

1.2热力学基本概念
热和功
Closed system (t1)
Surroundings (t2)
热（heat）：封闭体系与环境 之间因温差而传递的能量 > 0 吸热 规定：Q < 0 放热 功（work）：封闭体系与环境之 间除热以外传递的其他一切能量 > 0 环境对体系做功 规定：W < 0 体系对环境做功
1、研究物质的宏观性质（
macroscopic properties ）。
2、只需知道系统的起始状态和最终状态以及过程进
行的外界条件无需知道过程机理及物质结构。 3、研究的变量没有时间概念，不涉及速率问题。
局限性
不涉及微观结构（Microscopic）和反应 机制（ Mechanism）。
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摩尔气体常数：
8.314 J / K ·mol
对于多组分均相系统的状态函数还与其组 成成分有关，即 V = f (p,T,n1, n2 ,n3……)
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注意：热力学定律并不能导出 具体系统的状态方程，它必须 由实验来确定。
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1
50
100

1.2热力学基本概念 state B path 2
path 1 state A
始态至终态的一切变化——过程（process） 具体步骤 —— 途径（path）
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1.2热力学基本概念
常见的变化过程有：
1.2热力学基本概念
状态函数具有下述特性：
1） 状态函数是状态的单值函数。 2）状态函数的改变量只取决于系统的始态和终态， 与变化的途径无关。 3）状态函数的微小变化，在数学上是全微分

[01章热力学第一定律]

[01章热力学第一定律]
但不包括系统整体的动能和位能。
内能是具有容量性质的状态函数，用符号 U表示，它的绝对值尚无法测定，只能求出它 的变化值。
热与功
热(Q)：系统与环境之间因温差而传递的能量。 系统吸热，Q>0；系统放热，Q<0 。
功(W )：系统与环境之间传递的除热以外的其他能量 环境对系统作功，W>0 ；系统对环境作功，W<0 。
(2) W 10540J Q 27110J U Q+W 16570J
习题讲解
习题4 如图所示，一系统从状态1沿途径1-a-2变到状态2时，从环 境吸收了314.0J的热，同时对环境做了117.0J的功。试问： （1）当系统沿途径1-b-2变化时，系统对环境做了44.0J的功，这 时系统将吸收多少热？（2）如果系统沿途径c由状态2回到状态1， 环境对系统做了79.5J的功，则系统将吸收或是放出多少热？
(1)Q1a2 314J W1a2 117J p U1a2 Q1a2 W1a2 197J
U1a2 U1b2
a
2
W1b2 44J
c
Q1b2 U1a
(2)U1a2 U2c1
机械功
功 的
电功
种 体积功 类
表面功
热力学第一定律
热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热 现象领域内所具有的特殊形式，说明内能、热和 功之间可以相互转化，但总的能量不变。
U = Q + W（W=体积功+其他形式的功W’）
通常情况下W’=0 W只考虑体积功
微小变化 dU = Q + W
内能U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。

热力学第一定律的实际运用

热力学第一定律的实际运用

热力学第一定律，又称热力学第一定律原理或热力学第一定律定理，是热力学的基本定理之一。

它指出：在任意一个过程中，物质的总热力量Q和总功率W之和是定值，即Q+W=定值。

热力学第一定律的实际运用广泛，可以用来解决各种热力学问题。

下面给出几个具体的例子。

制冷机的工作原理：制冷机是利用制冷剂的汽化-冷凝-膨胀过程来进行冷却的。

制冷剂从低压汽化到高压气体的过程中，汽化所吸收的热量就是制冷机所发出的冷量。

这个过程可以看作是制冷机消耗的功率W，对应的热力学第一定律式为Q+W=定值。

热水器的工作原理：热水器是利用电能将水加热的。

电能转化成热能的过程可以看作是热水器消耗的功率W，加热水所吸收的热量就是热水器发出的热量Q。

这个过程可以用热力学第一定律来表示，即Q+W=定值。

汽车发动机的工作原理：汽车发动机是利用燃料的燃烧来产生动力的。

燃料的燃烧过程中，消耗的燃料质量就是汽车发动机的功率W，燃烧所释放的热量就是汽车发动机发出的热量Q。

这个过程可以用热力学第一定律来表示，即Q+W=定值。

光伏发电的工作原理：光伏发电是利用光能转化成电能的过程。

光能转化成电能的过程可以看作是光伏发电的功率W，光伏发电所产生的电能就是光伏发电发出的热量Q。

这个过程可以用热力学第一定律来表示，即Q+W=定值。

以上就是热力学第一定律的几个具体运用例子。

可以看出，热力学第一定律是一个非常重要的定理，在各种热力学过程中都有着广泛的应用。

热力学第一定律在封闭系统中的应用

热力学第一定律在封闭系统中的应用

热力学第一定律在封闭系统中的应用引言热力学第一定律是热力学中最基本的定律之一，描述了能量守恒的原理。

在封闭系统中，该定律对于热量和功之间的相互转化提供了重要的指导。

本文将探讨热力学第一定律在封闭系统中的应用，并讨论其中的几个重要概念和关键点。

热力学第一定律的表达式热力学第一定律可以表述为：封闭系统的内能变化等于系统所吸收的热量与系统所做的功之和。

用数学表达式表示为：ΔU = Q - W其中，ΔU表示封闭系统的内能变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统所做的功。

热量和功的转化根据热力学第一定律的表达式，我们可以看出热量和功在封闭系统中可以相互转化。

当系统吸收热量时，系统的内能增加；当系统做功时，系统的内能减少。

在实际应用中，热量和功的转化经常出现在各种热力学过程中。

例如，当气体被压缩时，系统对外界做功，内能减少；而当气体被加热时，系统吸收热量，内能增加。

热力学第一定律在恒温过程中的应用恒温过程是指系统在一定温度下进行的过程。

在恒温过程中，系统的温度保持不变，即系统的内能不发生改变。

根据热力学第一定律的表达式，我们可以得到：Q = W即在恒温过程中，系统吸收的热量等于系统所做的功。

这意味着恒温过程中热量和功完全相互转化，系统的内能保持不变。

热力学第一定律在绝热过程中的应用绝热过程是指系统与外界没有热量交换的过程。

在绝热过程中，根据热力学第一定律的表达式，我们可以得到：Q = 0即在绝热过程中，系统不吸收热量，只有功的转化。

这意味着系统的内能只能通过做功的方式改变。

绝热过程常见于一些高速、快速的过程，例如气体的快速膨胀和压缩。

在这些过程中，热量的传导和传递可以被忽略不计，只有功对内能的改变起主要作用。

热力学第一定律在循环过程中的应用循环过程是指系统经历一系列的状态变化后又回到初始状态的过程。

在循环过程中，系统的内能变化为零。

根据热力学第一定律的表达式，我们可以得到：ΣQ = ΣW即在循环过程中，系统吸收的热量等于系统所做的总功。

热力学第一定律在生活中的应用

热力学第一定律在生活中的应用
热力学第一定律是能量守恒原理的一种表达方式。

此定律曰：在一个热力学系统内，能量可转换，即可从一种形式转变成另一种形式，但不能自行产生，也不能毁灭。

一般公式化为：一个系统内能的改变等于供给系统的热量加上系统对外环境所作的功。

热力学第一定律是生物，物理化学等学科的重要定律。

热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。

这是许多人幻想制造的能不断地做功而无需任何燃料和动力的机器，是能够无中生有、源源不断提供能量的机器。

显然，第一类永动机违背能量守恒定律。

热力学第一定律本质上与能量守恒定律是的等同的，是一个普适的定律，适用于宏观世界和微观世界的所有体系，适用于一切形式的能量。

自1850年起，科学界公认能量守恒定律是自然界普遍规律之一。

能量守恒与转化定律可表述为：自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，但在转化过程中，能量的总值不变。

热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热现象领域内所具有的特殊形式，是人类经验的总结，也是热力学最基本的定律之一。

热力学第一定律是热力学的基础，而且在能源方面有广泛的应用，能源是人类社会活动的物质基础，社会得以发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用，能量资源的范围随着科学
技术的发展而扩大，所以热力学第一定律的广阔发展前景也将越来越光明。

热力学第一定律

热力学能用符号U表示。 热力学能是状态函数，具有广度性质。
三. 热力学第一定律的数学表达式（第三节）
系统从状态1变为状态2，若“系统从环 境吸热”Q，“系统对环境作功”W，则系统 热力学能的改变ΔU为：
ΔU = U2 - U1 = Q +W
或
d U = δQ +δW
热力学第一定律的数学表达式
四. 热力学第一定律的数学表达式（第三节）
热力学平衡是动态平衡
四、状态函数与状态方程（第二节）
（一）状态函数 状态——热力学平衡态 状态函数——平衡系统的各种热力学性质 状态函数——描述平衡系统宏观性质的物理量。
例如：T、p、V、密度ρ、黏度η、摩尔数n、质量m
四、状态函数与状态方程（第二节）
（一）状态函数 1. 状态函数是状态的单值函数
1mol理想气体 25℃、202.6kPa
1mol理想气体 25℃、202.6kPa
可逆过程，W= 1718J W nRT ln V2 V1
功与途径有关，可逆过程环境做功最小。
三、可逆过程（第四节）
25℃ 202.6kPa 理想气体
等温过程 体积增大一倍
25℃ 101.3kPa 理想气体
等温过程 体积减小一倍
注意：和差时的单位一致。如 T+V 就不是状 态 函数，没有意义 。
四、状态函数与状态方程（第二节）
（二）状态方程 状态函数之间的关系： 对于含有n种物质的均相封闭系统，只有n+2个
状态函数是独立的。 例如，理想气体的状态方程可表示为： pV=nRT
五、过程与途径（第二节）
等温过程： T环 恒定，T始 T终 T环
H=U+pV 焓是状态函数，广度性质，能量单位

第一章 热力学第一定律

H2O(l)
糖水
糖水 糖
均相系统
多（复、非均）相系统
化学平衡：系统内化学组成不变
物理化学 第一章 热力学第一定律 宁夏大学新华学院
Joule（焦耳）和 Mayer（迈耶尔)自1840年起，历经 20多年，用各种实验求证热和功的转换关系，得到的结 果是一致的。
即： 1 cal = 4.1840 J
状态函数:确定体系状态的物理量 (p,V,T)
特点: (1) 状态一定，状态函数一定。
(2) 状态变化，状态函数也随之而变,且状态函数
的变化值只与始态、终态有关,与变化途径无关。
物理化学
第一章 热力学第一定律
宁夏大学新华学院
§1.2 热力学基本概念及术语
容量（广度）性质：与物质的数量成正比，具有加和性 如：V、n、C 强度性质：与物质的数量无关，不具有加和性 如：P、T、Vm 、ρ T1 P1 V1 T2 P2 V2
（c）整个膨胀过程中，始终保持外压比气体压力p只差无限小数值
p外=p-dp
W p外dV ( p d p)dV pdV dpdV
V1 V1 V1 V1
V2
V2
V2
V2
物理化学
第一章 热力学第一定律
宁夏大学新华学院
§1.4 体积功
准静态过程：由无限多个极其接近平衡态（静态）的步骤组成
学能的变化 (能量守恒定律)
物理化学 第一章 热力学第一定律 宁夏大学新华学院
1.3 能量守恒----热力学第一定律
热和功的取号与热力学能变化的关系 系统吸热 Q>0 环境 U > 0 W>0 系统 系统放热 Q<0 U <0 W<0
U = Q + W

热力学第一定律1

能的转化和守恒定律是分析解决问题的一个极为重 要的方法，它比机械能守恒定律更普遍。例如：物体在 空中下落受到阻力作用时，物体的机械能不守恒，但包 括内能在内的总能量是守恒的。 能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这 个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来，使不同领域 的科学工作者有一系列的共同语言。 能的转化和守恒定律是19世纪自然科学中三大发 现之一，也庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭。
A.W=8× =1.2× A.W=8×104J， ΔU =1.2×105J ，
B.W=8× =－1.2× Q=－ B.W=8×104J， ΔU =－1.2×105J ，Q=－ 2×105J C.W=－ =1.2× C.W=－8×104J，ΔU =1.2×105J ， Q=2× Q=2×104J
D.W=－ =－1.2× Q=－ D.W=－8×104J，ΔU =－1.2×105J ，Q=－ 4×104J
滚球永动机 17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔 基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”
软臂永动机 19世纪有人设计了一种特殊机构
阿基米得螺旋永动机 1681年，英国有一位著名的医生 弗拉德提出一个建议，利用阿基米得螺旋
磁力永动机 大约在1570年，意大利有一位教 授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实 现永动机。
热力学第一定律 能量守恒定律
1.如果一个物体既有外界对它做功，也有热 如果一个物体既有外界对它做功， 如果一个物体既有外界对它做功 量的传递，那么怎么衡量它内能改变呢？ 量的传递，那么怎么衡量它内能改变呢？
2.一个小球自由下落，最后停止在地面上， 一个小球自由下落，最后停止在地面上， 一个小球自由下落 如果以地面为参考面， 如果以地面为参考面，是不是说明机械能消 失了呢？ 失了呢？ 3.今天吃什么呢？哎！如果人不用吃饭就好 今天吃什么呢？ 今天吃什么呢 该省多少时间啊！ 了，该省多少时间啊！
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