3-2热力学第一定律.ppt

* 第三章 化学热力学基础 帮助 返回 下页 上页 §3–2 热力学第一定律 一、热力学第一定律的表述 热力学第一定律就是能量守恒与转化定律在热力学系统中的应用。表述为 第一类永动机（不消耗任何能量而能循环做功的机器）是不能制成的。 封闭系统中，热力学第一定律的数学表达式为 △U＝Q＋W （3-2） 其意义是：封闭系统中热力学能的改变量，等于变 化过程中与环境传递的热与功的总和。 热力学第一定律的又一表述为 “隔离系统的热力学能是守恒的”，这种说法正确吗？ 二、热力学能 系统内部所有微观粒子的能量总和，称为热力学能，符号U，单位J或kJ。 封闭系统的热力学能是温度和体积的函数，即 U＝f（T、V） 封闭系统中，一定量理想气体的热力学能只是温度的函数。 U＝f（T） 下述过程温度恒定，因此△U一定为零，正确吗？为什么？ 三、热 热是系统与环境之间因温度不同而引起的能量传递，符号为Q，单位为J或kJ。 系统向环境放热时，Q＜0。 系统从环境吸热时，Q＞0； 热力学规定 热是系统状态发生变化过程中与环境传递的能量，因此不是状态函数，称为过程变量（或途径函数）。其无限小量用δQ表示，而不是全微分形式。 四、功 除热以外，系统与环境之间的其他能量传递统称为功，其符号为W，单位为J或kJ。 环境对系统做功时，W＞0； 系统对环境做功时，W＜0。 功也是过程变量（途径函数），无限小量用δW表示。 通常，热力学系统发生变化时，只做体积功。 热力学规定 如图3-2所示，当气缸受热，气体反抗环境压力（p环）使活塞（面积A）膨胀dl，体积变化为dV时，系统做功为 W ＝ （3-3） 图3-2 体积功示意图 不同过程的体积功计算如下 （1）恒容过程 由于dV＝0，故W=0。 （2）自由膨胀过程 即系统向真空膨胀，p环＝0 ，W＝0。 说明：实验证明理想气体自由膨胀过程时温度不变。 （3）恒外压过程 p环＝定值，则 W＝ ＝－p环（V2－V1） （3-4） 若为理想气体 W＝－nRT p环 （3-5） 【例3-1】10mol某理想气体由25℃、1.0MPa，反抗恒外压0.10MPa膨胀到25℃、0.10MPa，求此过程的功。 解 W＝－nRT p环 W＝－10mol×8.314J/(mol·K)×298.15K× 0.10MPa(1/0.10MPa－1/1.0MPa) W=－22309J=－22.3kJ 上述过程的Q、△U各为何值？ 答： 因为一定量理想气体的热力学能只是温度的函数 所以 △U＝0 则根据一律得 Q ＝nRT p环 （4）恒压过程 因为p1＝p2＝p＝p环＝ 定值，所以 W＝－p环(V2 – V1) ＝ －p(V2 – V1) （3-6） 若为理想气体 W＝－nR（T2－T1） （3-7） 1mol某理想气体由恒压下升温到1℃，求此过程的功。 解 W＝－nR（T2－T1）＝－nR△T W＝－1mol×8.314J/(mol·K) ×1K＝－8.314J （5）恒温恒压相变过程 若为l g（或s g）， 并视低温低压气体为理想气体 ，则 W ＝ －p(Vg – Vl) ≈ －pVg ＝ －nRT （3-8） 【例3-2】在100℃、100kPa下，5.0molH2O（l）变为水蒸气，求此过程的功。视水蒸气为理想气体。 解 W≈－p Vg＝－nRT W≈－5.0mol×8.314J/（K·mol）×373.15K W＝－15512 J＝－15.5 kJ （6）恒温可逆过程 如前面图3-1所示的恒温可逆膨胀过程，若一粒粒地取走细沙，则每次外压减少dp。即 则无限小可逆体积