热力学第一定律-1.ppt

第二章 热力学第一定律;学习要求;热力学是自然科学中建立最早的学科之一; 热力学基本定律是生产经验和科学实验的总结，它们不能用其它理论方法加以证明，但其正确性毋庸置疑。需要指出：（1）经典热力学研究含有大量质点的宏观系统：其原理、 结论不能用于描述单个的微观粒子；（2）经典热力学只考虑平衡问题：只考虑系统由始态到末态的净结果，并依此解决诸如过程能量衡算、过程的方向、限度的判断等热力学问题，至于由始态到末态的过程是如何发生与进行的、沿什么途径、变化的快慢等等一些问题，经典热力学往往不予考虑。;§2.1 基本概念及术语 ; 隔离系统(isolated system)： 与环境间——既无物质交换，又无能量交换；又称为孤立系统。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。 封闭系统(closed system)： 与环境间——只有能量交换，而无物质交换； 敞开系统(open system)： 与环境间——既有物质交换，又有能量交换。;2. 状态与状态函数;① 状态函数在状态确定后有一确定值。也就是说状态确定后，该值存在且物理意义明确。例如；p、n、T、V。② 状态函数的改变值仅由系统的始末态决定，而与过程无关。即： 状态Z1 (T1，p1) ----状态 Z2 (T2，p2) ：  ΔZ = Z2 - Z1 。; ③ 状态函数Z是单值函数，状态函数的微变dX是全微分。全微分的积分与积分途径无关。全微分是偏微分之和。例如： Z = f（p, T ),则：; 例：试用全微分的性质证明描述1 mol 理想气体性质的温度T为状态函数。; 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V、质量m、熵S等。这种性质有加和性。; （3）平衡态 在一定条件下，当系统的各宏观性质不随时间而改变，则系统就处于热力学平衡态，它包括下列几个平衡：; 过程：系统从某一状态变化到另一状态的经历称为过程。;恒温过程dT=0;§2.2 热力学第一定律 (First law of thermodynamics);W ＞0 ?环境对系统作功(系统以功的形式得到能量) W ＜0 ?系统对环境作功(系统以功的形式失去能量);体积功通式的推导;恒(外)压过程; 【例1】已知一定量的理想气体初态为298.15K，10.0 dm3，终态温度298.15K，体积20.0 dm3, 压力p? 。计算沿下面不同的等温途径时系统所作的体积功；① 系统向真空膨胀至终态；② 系统反抗恒外压p? ，一步膨胀变化到终态。; 【例2】始态T=300K，p1=150 kPa 的理想气体，n=2 mol 经下列两不同的途径等温膨胀到同样的末态，其p2=50 kPa，求两途径的体积功。 a）反抗50 kPa的恒外压一次膨胀到末态； b）先反抗100 kPa的恒外压膨胀到中间态，再反抗50 kPa的恒外压膨胀到末态。;当系统温度低于环境温度，系统吸热，Q 0;3. 热力学能（thermodynamic energy）;U 是状态函数 对指定系统，若n一定，有;U 的绝对值无法求，但?U可求;4. 热力学第一定律;“第一类永动机”;若系统发生微小变化，有： ;例：1mol H2O（l）在373K和恒定外压101.325KPa时完全蒸发成水蒸气。试求此过程H2O的?U。;W＝－p环 (Vg －Vl) ＝－101.325 kPa ×  ＝－3.11 KJ;6. 焦耳实验;理想气体向真空膨胀：W ＝0； 过程中水温未变：Q ＝0;又 ? dT = 0, dU = 0, dV ? 0; 该实验结论也可以用理想气体模型解释：理想气体分子间没有相互作用力，因而不存在分子间相互作用的势能，其热力学能只是分子的平动、转动、分子内部各原子间的振动、电子的运动、核的运动的能量等，而这些能量均只取决于温度。; 焦耳的实验是不精确的。因为水浴中水的热容很大，加之当时测量仪器精度不高，因而无法测出水温的微小变化。以后，科学家用改进的精密实验测定，实际气体在自由膨胀过程中，温度将会有微小变化，但是实验同时也证明，膨胀前气体的压力越小，则温度变化越小。因此，可以推论，对于理想气体来说，焦耳实验的结论是完全正确的：即理想气体自由膨胀时内能不变。;对于封闭系统，W? = 0