文档介绍：第二章
热力学第一定律
§ 几个热力学基本概念
O2
N2
一、系统与环境
1、系统:为了研究方便,人为地把一部分物质从其他部分中划分出来,作为我们的研究对象,这部分物质即为系统。
2、环境:系统之外的,与系统有相互影响的其余有限部分。
例:在活塞“a”打通过程:
(1)研究N2的性质,则系统与环境?
(2)研究整个绝热箱,
则系统与环境?
注意:尽管可以根据需要人为地选择系统,但对于同一个问题,一旦确定了系统,在解题过程中不能中途更改!
N2
O2
绝热箱
a
●
3、系统与环境的关系:
系统与环境间的界壁: 客观存在或虚构(想象)
系统与环境的联系方式: 能量交换和物质交换
系统可分为: a、封闭系统
b、敞开系统
c、孤立系统(隔离系统)
二、状态与状态函数
1、系统的状态----热力学平衡态
(包括热平衡、力学平衡、相平衡、化学平衡)
2、状态函数:用于描述系统状态的各种性质(如TPVUHSGF等)。特征:a、其值取决于状态,状态函数改变,系统的状态必发生变化。其ΔX值只与系统的始、末状态有关,而与具体变化途径无关,即∮dX=0。
b、具有全微分性质。
3、系统的性质
描述系统状态的性质可分为:
(1)广度性质(容量性质):V、n、U、H等,与物质的量有关,具加和性;
(2)强度性质: T、P、d、η等,与物质的量无关;
广度性质的摩尔量(单位量)为强度性质。
三、过程与途径
过程:系统状态所发生的一切变化均称为过程。
途径: 实现过程的具体步骤。例如:
过程可分为:
等温过程、等压过程、
等容过程、循环过程、
绝热过程、可逆过程,等等。
1Pθ
273K
1Pθ303K
1Pθ
283K
1Pθ
373K
P外=1Pθ
等压过程
T
T
T
T
四、状态方程与过程方程
1、状态方程:当系统处于某一确定状态时,各状态函数之间存
在的定量关系。(如理想气体的状态方程:pV=nRT)
2、过程方程:当系统从某一状态变到另一状态时,则两种状
态的状态函数之间存在的定量关系。(如理想气体的
恒温过程:p1V1=p2V2=nRT=K)
例如:绝热过程的过程方程、可逆过程的过程方程等等。
五、热与功
功和热是系统与环境之间进行能量交换的两种不同的形式。
热:由于温差而发生交换的能量。系统吸热Q>0 ;放热Q<0
功:除热之外的能量交换形式。在物化中可分为体积功和非
体积功。系统向环境做功 W < 0 ;反之 W > 0
注意:a、功和热是过程量,而不是状态函数。
b、功和热的量是以环境中产生的效果而显示的,与系统的选择有关。
六、热力学能(内能) U
系统的总能量包括: 1、整体运动的动能(T)
2、在外力场中的势能(V)
3、内能(U):是指系统内部所包含的一切能量。
分子平动、转动、振动能、电子运动能和原子核内部的能量。
§ 能量守恒---热力学第一定律
一、文字表达
例:如图所示,若△UⅠ> △UⅡ,这就是永动机!
一种不供给能量便可连续不断产生能量的机器。
显然是违背了能量守恒原理。
∴热力学第一定律的几种描述:
1、第一类永动机不可能存在。
2、能量是不能凭空产生与消灭。只能从一种形式转化为另一种
形式,而且不同形式的能量在相互转化时有着严格的当量关系。
3 、孤立体系能量守恒
二、数学表达式
适用范围:封闭体系
P
V
A
B
Ⅰ
Ⅱ
例2:一电炉丝浸于绝热容器的水中,水是大量的,当通电一段时间,以不同系统作为研究对象,那么U、W、Q值如何?(1)以电热丝为系统(2)以电热丝与水为系统(3)以电热丝、水、电源及其它一切有影响的部分为系统。(结果用+、-表示)
解:
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解:(1) W>0、Q<0 、U>0;
(2) W>0 、Q=0 、U>0;
(3) W=0、Q=0 、U=0
§ 体积功
一、体积功
体积功=系统在反抗外压而发生体积变化时所作的功。
即: δW=-p外·A·dl=-p外·d V
举例:几种典型过程的体积功
1、自由膨胀(向真空膨胀)
p外=0 , W=0
2、等外压膨胀(并非等压过程)
p外=常数,W= -p外(V2-V1)
3、多次等外压膨胀,W = -∑p外△V
4、可逆膨胀(p外始终比p内小一无限小量的过程)
A
dl
气体吸热膨胀
气体
热源
P外
例3:1mol H2在298K分别经四个等温过程,体积从25dm3到100dm3,求体积功,并相互比较,说明什么问题?(1)向真空膨胀(2)在外压恒定于