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光的波粒二象性历程及价值-河海大学
热力学第一定律与应用
热力系内物质的能量可以传递,其形式可以转换,在转换和传递过程中各种形式能源的总量保持不变。
关键词:概述,发展历史,应用
1. 概述
1.1简单解释
热力学第一定律:△U=Q+W。系统在过程中能量的变化关系
在热力学中,系统发生变化是,设与环境之间交换的热为Q,与环境交换的功为W,可得热力学能(亦称内能)的变化为 ΔU = Q+ W 或ΔU=Q-W(目前通用这两种说法,以前一种用的多),为了避免混淆,物理中普遍使用第一种,而化学中通常是说系统对外做功,故会用后一种。
1.2基本内容
热可以转变为功,功也可以转变为热;消耗一定的功必产生一定的热,一定的热消失时,也必产生一定的功。普遍的能量转化和守恒定律在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。热力学的基本定律之一。热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。表征热力学系统能量的是内能。通过作功和传热,系统与外界交换能量,使内能有所变化。根据普遍的能量守恒定律,系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后,内能的增量ΔU应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q 和系统对外界作功A之差,即UⅡ-UⅠ=ΔU=Q-W或Q=ΔU+W这就是热力学第一定律的表达式。如果除作功、传热外,还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z,则应为ΔU=Q-W+Z。当然,上述ΔU、W、Q、Z均可正可负(使系统能量增加为正、减少为负)。对于无限小过程,热力学第一定律的微分表达式为 δQ=dU+δW因U是态函数,dU是全微分[1];Q、W是过程量,δQ和δW只表示微小量并非全微分,用符号δ以示区别。又因ΔU或dU只涉及初、终态,只要求系统初、终态是平衡态,与中间状态是否平衡态无关。 对于准静态过程,有δQ=dU+pdV
2.发展历史
热力学的基本定律之一,是能量守恒和转换定律的一种表述方式。热力学第一定律指出,热能可以从一个物体传递给另一个物体,也可以与机械能或其他能量相互转换,在传递和转换过程中,能量的总值不变。它的另一种表述方式为:不消耗能量就可以作功的第一类永动机是不可能实现的。 18世纪以来,流行一时的热质说相继为 Count von朗福德、J.R.von迈尔、J.P.焦耳等人所推翻。他们证明热是物质运动的一种表现,并逐步归纳成第一定律的表述方式。其中焦耳于1840~1850年进行的热功当量实验为这一定律的科学表述奠定了基础。焦耳的实验表明,机械能所作的功W与其转换得到的热量Q之间存在着严格的数量关系,不管转换的过程如何,一个单位的热量永远相当于E个单位的功,即W=EQ,式中E称为热功当量。在国际单位制(SI)中热量和功的单位都是焦耳(J),所以E=1。 对于封闭系统(见热力系统),热力学第一定律可表达为 Q=ΔU +W 或 δQ=dU +δW 它表明向系统输入的热量Q,等于系统内能的增量ΔU 和系统对外界作功W之和。 在热工设备中经常遇到工质稳定地流入和流出设备的开口系统(见图)的情形。这时,热力学第一定律可表达为 热力学第一定律
它表明向系统输入的热量Q,等于质量为 m的流体流经系统前后焓H 的增量、动能 的增量以及系统向外界输出的机械功W之和。
3.应用
热力学第一定律的表达式,揭示了包括内能在内的能的转化和守恒定律,在实际中具有很广泛的应用。在运用来分析问题时,首先必须理解表达式的物理意义,掌握它的符号法则:①W>0,表示外界对系统做功;W<0,表示系统对外界做功;②Q>0,表示系统吸热;Q<0,表示系统放热;③△U>0,表示系统内能增加;△U<0,表示内能减少。如果事先不便确定其正负,可以先假定它为正,在定量计算出结果后再作出判断。若大于零,说明与原假定的相同,为负则相反。必须指出的是,一般来说系统对外界做功,表现出系统体积膨胀;外界对系统做功,系统体积则被压缩。但在某些特定条件下,例如气体自由膨胀(外界为真空)时,气体就没有克服外力做功。另外,在判断内能变化时,还必须结合物态变化以及能的转化与守恒来进行。
应用热力学第一定律解题的步骤
(1)确定研究对象就是要明确内能变化的是哪一个物体或哪一个热力学系统。
(2)定性分析研究对象的内能变化是由外界哪些物体或系统通过哪些过程引起的。
(3)根据符号法则,确定△U、Q、W的正负号,代入公式△U=Q+W进行计算。
例1. 在温度均匀的液体中,一个小气泡由液体的底层缓慢地升到液面,上升过程中气泡的体积不断增大,则气泡在浮起过程中( )
A. 放出热量 B. 吸收热量
C. 不吸热也不放热 D. 无法判断
解析:本题容易看出,需选择气泡为研究对象。由于气体分子之间的距离很大,相互作用力非常小,对气体来说,气体状态变化时,分子势能几乎不变,所以,一定质量的气体的内能的变化,就由气体分子热
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