天津大学物理化学第二章热力学第一定律-1.ppt

焦耳在1843年曾做过的低压气体的自由膨胀实验： 3. 焦耳实验 实验中发现水温维持不变，dT = 0 理想气体向真空膨胀：W ＝0； 过程中水温未变：Q ＝0 ? ?U ＝ 0 （任何气体） 又 ? dT = 0, dU = 0, dV ? 0 ——恒温时，U 不随V 或 p 变化 ? U = f (T) 理想气体的U只是T 的函数 （液体、固体近似成立） （理想气体） 解： W＝－P（V2－V1）＝－100×10 3×6×10－3＝－608J W为负值，说明体系膨胀时对环境做功。 ΔU＝Q＋W＝700－608＝92J 该理想气体在等压膨胀过程中增加内能92J，因此体系的温度必将升高。 例：理想气体等压膨胀：在等压P?下，一定量理想气体B由10.0dm3膨胀到16.0dm3，并吸热700J，求W与 ΔU。 等压过程 一定量理想气体B P?，10.0dm3 一定量理想气体B P?，16.0dm3 Q＝700J 例：理想气体等外压绝热膨胀 1mol理想气体B由473.2K、20.00dm3反抗恒定外压P?迅速膨胀至温度为407.5K，试计算W、Q与ΔU（由于迅速膨胀，体系与环境来不及交换热量，故可视为绝热过程）。 解： 因系绝热过程，故 Q = 0 反抗恒外压膨胀，故 W＝－P外（V2－V1） =33.44×10-3m3 W=－P外（V2－V1） =－100×103×(0.03344－0.0200) J=-1362 J ΔU=Q+W=0+(－1362)＝－1362J 负号表明体系内能减少，向环境释放了能量；即在绝热膨胀过程中传递给环境的功， 来自体系的内能。 思考题 1、在下列各例中，用重点标明者是体系。判断各过程之Q和W。 用一根橡皮管将打气筒与自行车轮胎连上，按下柱塞以将空气打入轮胎。假设气筒、轮胎、橡皮塞皆不导热。 将水和水蒸气贮于一恒容金属箱中，将箱放在炉火上， 箱中的温度及压力皆增加。 上题的箱子破了。 答案：（1） Q= 0 W= + （2） Q= + W= 0 （3） Q= - W= - 答案：P外dV与P外△V都代表体系反抗恒外压所所作的功。其中，P外dV之dV常代表体系的体积作了无限小的变化，因而P外dV是体系因体积膨胀对外作的微功；P外△V之△V是对于一个非无限小的过程而言的，因而P外△V是体系在恒外压过程中对外所作膨胀功的积累。dV与△V的关系是 2、P外dV与P外△V有何不同？ 3、在图中，通电； (1) 以水及电阻丝为体系，电池为环境，Q、W、△U如何？ (2) 以水为体系，电池与电阻丝为环境，又如何？ (3) 以电池、电阻丝及水为体系，又如何？ 水 绝热 图 答案；（1）Q=0 W= + △U=+ （2）Q=+ W=0 △U=+ （3）Q=0 W=0 △U=0 1.设有一电炉丝浸入水中(见图1.1)，接上电源，通以电流一段时间。分别按下列几种情况作为体系，试问U、Q、W为正、为负，还是为零？ 1? 以水和电阻丝为体系； 2? 以水为体系； 3? 以电阻丝为体系； 4? 以电池为体系 ； 5? 以电池、电阻丝为体系； 6? 以电池、电阻丝、水为体系。 ? ? （1） （2） （3） （4） （5） （6） W ??? ＋ ??? 0 ? ?＋ ?? － ??? 0 ??? 0 Q ??? 0 ??? ＋ ?? － ?? 0 ?? － ??? 0 U ??? ＋ ??? ＋ ?? ＋ ? － ?? － ??? 0 * * * * 把上述大的隔离系统划分成小系统与环境两部分，使小系统经历一个变化过程，其内能的增量为?Ｕ，与环境交换的热和功分别为Ｑ和Ｗ，则环境的能量增量为-(Ｑ＋Ｗ)，整个隔离系统的能量守恒表示为： * * 热力学是自然科学中建立最早的学科之一 1. 第一定律：能量守恒，解决过程的能量衡算 问题（功、热、热力学能等） 2. 第二定律：过程进行的方向判据 3. 第三定律：解决物质熵的计算 第二章 热力学第一定律 §2.1 基本概念和术语 1.系统与环境 2.状态与状态函数 过程与途径 功和热 5.热力学能 1. 系统与环境 系统：作为研究对象的那部分物质 环境：系统以外与之相联系的那部分物质 系统与环境 的相互作用 物质交换 能量交换 传热 作功 体积功