[理学]第一章 第一定律习题解修改稿09-01.doc

第一章 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力学系统中的应用。讨论热力学第一定律必须引进热力学的术语及热力学能、热、功、焓等重要概念，通过热力学第一定律在理想气体、实际气体及热化学反应中的应用，可以加深理解这些基本概念，熟练掌握热力学处理问题的特点和方法，并能灵活运用热力学原理、方法去解决实际问题。 一、基本内容 （一） 热力学术语 1.系统与环境 人们把物体群中所研究的对象划分出来，确定其范围和界限，这一作为研究对象的部分物体及其空间称为系统（或称体系）。环境是系统以外且与系统密切相关的物质及其所在的空间，系统与环境并无本质的差别，它们的划分是人为的，它们的选取要为研究目的服务；系统与环境间可以有实际界面存在，也可以没有实际界面存在；根据系统与环境间是否存在物质和能量的交换，系统又可以分为敞开系统、封闭系统与孤立（或隔离）系统。 系统的性质又称热力学变量，可分为广度性质（或称容量性质）和强度性质，广度性质与系统中物质的数量成正比，强度性质与系统物质的数量无关，取决于系统自身的特性。 2.状态与状态函数 系统里一切宏观性质的综合称为状态。描述系统状态的宏观物理量称为热力学性质或状态性质（状态变量），通常可用连续函数表示，依赖于其他状态变量的状态性质称状态函数。 3. 过程和途径 系统发生状态的改变称为过程，它是指发生状态变化的方式，涉及为完成状态变化而经历一系列的中间状态和环境的作用。过程随条件的不同，可分为等温过程、等容过程、等焓过程、绝热过程、循环过程、多方过程、自由膨胀过程、相变过程等。完成过程的具体步骤称为途径。 (二) 热力学第一定律 热力学第一定律是涉及热现象领域内的能量守恒与转化定律。它有几种表述：①第一类永动机不可能制造成功；②孤立系统能量守恒；③系统经过绝热过程而发生状态改变，其所做功的大小与途径无关。 封闭系统的热力学第一定律可表示为，或，此式规定系统从环境吸热或接受外界的做功，过程的热和功均为正量值，若系统膨胀，功应为负量值。有的教材用表示热力学第一定律，则系统对环境做功为正量值。 1.热力学能 热力学系统内部物质所有能量的总和，但不包括系统作为一个整体的动能和势能。 2. 热和功 热是系统与环境因温度差而交换或传递的能量，它是物质的大量微粒以无序运动的方式而传递的能量。除热量以外的其他各种形式传递的能量称为功，它以有序运动的形式表现出来。 热力学中讨论的功应包括体积功和非体积功，本书采用的规定是，体积功。计算单纯变温过程的热量时，涉及系统改变单位温度时所吸收或放出的热，即系统的热容，由于系统处于不同的温度时，升高相同的温度所吸收的热量通常并不相同，因此，可以定义平均热容 ，温度T时的热容则为。 由于与过程有关，所以热容的量值也与过程有关。对于组成不变的均相封闭系统在等容或等压过程的热容，分别称为等容热容和等压热容，即 和 对于1mol物质，分别称为摩尔等容热容和摩尔等压热容。任何组成不变的均匀封闭系统。应用于理想气体，或。 3.焓 焓是热力学的一个辅助函数，定义。焓不是能量函数，仅具有能量的量纲，它没有明确的物理意义。 由焓的定义式，等压过程，非等压过程。 （三）热力学第一定律的应用 应用于理想气体和实际气体涉及、、、的计算，因为是状态函数，和往往可通过设计一些中间过程去计算，只要始、终态确定，分别与原始条件相同，而和必须根据实际过程的条件进行计算。 焦耳实验表明理想气体的热力学能和焓仅是温度函数，即U= f（T），H= f（T）。 若系统没有相变和化学变化，仅发生温度的变化，则 通常将和在一定温度范围内看作常量。事实上它们与温度有关，较常用的是， 或 理想气体绝热可逆与不可逆过程功的计算公式 或 实际气体在焦耳-汤姆逊实验中的变化是一个等焓过程，定义焦耳-汤姆逊系数，可以推导得。显然，是温度、压力的函数，当＞0，气体发生致冷效应；＜0，气体发生致热效应。 可用于判断实际气体能否液化。在节流膨胀实验中，先选择始态p1、，再确定小于p1的p2（p3, p4,…）压力。气体经节流膨胀后，测得温度T2(T3, T4, …)，在-p图上可得等焓线，该线上最高点的斜率即=0，该点对应的温度称气体的转换温度。 （四）化学反应的焓变 在等温、等容或等温、等压下，不做非体积功的化学反应或某些物理化学过程中系统吸收或放出的热量等于过程的焓变。 此外，热化学中常运用摩尔等压反应热与摩尔等容反应热，它们是指按反应计量式发生=1mol反应的等压反应热或等容反应热。在等压且不做非体积功时，化学反应的焓变等于反应的等压热。 例如，298.15K、100kPa下的反应2H2 (g) + O2(g) →2H2O(l) 若=1mol，则； 若=0.5mol，则。 在