热力学第一定律

第四章 热力学第一定律

教学目的与要求：

理解准静态过程、可逆过程和不可逆过程；掌握功、热量、内能的物理意义及其计算；掌握热容量的物理意义；了解焓的概念和应用；掌握热力学第一定律及其对理想气体各种过程的应用；理解热机的基本原理，掌握循环过程热机效率的计算；了解制冷机与制冷系数，了解焦耳—汤姆孙效应。

教学方法：

课堂讲授与讨论相结合。进行课堂习题练习与思考题的讨论，培养学生思维的灵活性和深刻性。

教学重点：

功、热量、内能的物理意义及其计算；热容量的定义及物理意义；热力学第一定律及其对理想气体各种过程的应用；循环过程热机效率的计算

教学时数：12学时

主要教学内容：

§4.1 可逆与不可逆过程

一、准静态过程

word/media/image1.gif准静态过程是一个进行得无限缓慢的，以致系统连续不断地经历着一系列平衡态的过程。

word/media/image2.gifword/media/image3.gifword/media/image4.gif

图1 图2

二、驰豫时间

处于平衡态的系统受到外界的瞬时微小扰动后，若取消扰动，系统将恢复到原来的平衡状态，系统所经历的这一段时间就称为弛豫时间，这来过程称为弛豫过程。

三、可逆与不可逆过程

系统从初态出发经历某一过程变到末态，若可以找到一个能使系统和外界都复原的过程（这时系统回到初态，对外界也不产生任何影响），则原过程是可逆的。若总是找不到一个能使系统与外界同时复原的过程，则原过程是不可逆的。

例如：气体向真空自由膨胀就是一个不可逆过程。

图3

判断过程可逆条件：1、系统回到初态 2、对外界也不产生任何影响

只有无耗散的准静态过程才是可逆过程。

§4.2 功和热量

一、功是力学相互作用下的能量转移

力学相互作用：将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状态的影响。

在力学相互作用过程中系统和外界之间转移的能量就是功。

热力学认为力是一种广义力，所以功也是广义功。

1）、只有在系统状态变化过程中才有能量转移。

2）、只有在广义力（如压强、电动势等）作用下产生了广义位移（如体积变化、电量迁移等）后才作了功。

3）、在非准静态过程中很难计算系统对外作的功。

word/media/image5.gif4）、功有正负之分。

二、体积膨胀功

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图4 图5

word/media/image7.gif1、外界对气体所作的元功为：

所作的总功为：

word/media/image8.gif2、气体对外界所作的功为：

例如图6所示初、末状态分别为C、D，经过3个不同的状态，三种过程所作的功不同，说明功与变化的路径有关，它不是状态的函数。

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图6

3、理想气体在几种可逆过程中功的计算

word/media/image10.gif①等温过程

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word/media/image13.gif②等压过程

word/media/image14.gif③等体过程

三、其它形式的功

1、拉伸弹簧棒所作的功

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2、表面张力功

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σ是表面张力系数

3、可逆电池所作的功

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4、功的一般表达式

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x是 广义坐标，它是广延量，广延量的特征是：若系统在相同情况下质量扩大一倍，则广延量也扩大一倍。

Y是广义力，它是强度量，强度量的特征是：当系统在相同情况下质量扩大一倍时，强度量不变。

四、热量与热质说

热量：是从高温物体传递给低温物体的能量

§4.3 热力学第一定律

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作机械功改变系统状态的焦耳实验 作电功改变系统状态的实验

焦耳(Joule 1818---1889y)于1840年最早研究了电流的热效应，1840-1879年焦耳进行了大量的实验，测定了功与热相互转化的数值关系---热功当量。

1956年国际规定的热功当量精确值为:

J = 4.1868 J.cal-1

= 4.1840 J.calth -1

能量守恒和转化定律的内容是：自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数值不变。

第一类永动机是不可能制造的。

二、内能定理

1、内能是态函数

内能是系统内部所有微观粒子（如分子、原子等）的微观的无序运动能以及相互作用势能两者之和。内能是状态函数，处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态间有一一对应关系。

2、内能定理

从能量守恒定理知道：系统吸热，内能应增加；外界对系统作功，内能也增加。若系统既吸热，外界又对系统作功，则内能增量应等于这两者之和。

W绝热=U2-U1

注意：1、内能是一种宏观热力学的观点，不考虑微观的本质。

2、内能是一个相对量。

3、热学中的内能不包括物体整体运动的机械能。

4、内能概念可以推广到非平衡态系统。

5、有些书上提到的热能实质上是指物体的内能。

三、热力学第一定律的数学表达式：

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Q是系统所吸收的能量，W是外界对系统所作的功

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§4.4 热容与焓

一、 定体热容与内能

定体比热容cv ，定压比热容cp

定体摩尔热容Cv,m, 定压摩尔热容Cp,m

等体过程a—b, dV=0

word/media/image27.gif (ΔQ)v = ΔU

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任何物体在等体过程中吸收的热量就等于它内能的增量。

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二、定压热容与焓

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在等压过程中吸收的热量等于焓的增量

三、化学反应中的反应热、生成焓以及赫斯定律

在等温条件下进行的化学反应所吸、放的热量称为反应热（放热为负、吸热为正）

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在等压条件下进行化学反应，其吸放热量等于焓的增量，称为反应焓

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2、生成焓、标准生成焓

研究化学反应中吸、放热量规律的学科称热化学

由纯元素合成某化合物的摩尔反应焓称为该物质的生成焓

在0.1013 MPa下的生成焓（反应热）称为标准生成焓（标准反应热）

3、赫斯定律

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§4.5 第一定律对气体的应用

一、理想气体内能

1、自由膨胀过程

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U1 (T1 ,V 1) =U2 (T2 ,V2)=常量

证明：理想气体内能仅是状态的函数，与体积无关，称为焦耳定律

理想气体宏观特性：

满足pV=νRT关系；满足道尔顿分压定律；满足阿伏加德罗定律；满足焦耳定律U=U(T)。

2、理想气体定体热容及内能

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3、理想气体定压热容及焓

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word/media/image42.gif4、迈雅（Mayer）公式

二、理想气体的等体、等压、等温过程

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1、等体过程

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word/media/image45.gif2、等压过程

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word/media/image48.gif3、等温过程

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word/media/image50.gif三、绝热过程

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得：

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四、多方过程

74d1a05f1f5a29a2b5272ea94cbe1927.png TVn-1=C Pn-1Tn=C

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n=0, 等压过程

n=1, 等温过程

n=γ, 绝热过程 n为多方指数

n=∞, 等体过程

所有满足pVn =常数的过程都是理想气体多方过程，其中n可取任意实数。

2、多方过程的功：

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word/media/image62.gif3、多方过程摩尔热容

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当n> g时：Cn,m >0, ΔT>0, ΔQ>0 吸热

若1g时：Cn,m < 0, ΔT>0, ΔQ<0 放热 称为多方负热容

§4.6 热机

word/media/image68.gif一、循环过程

一 系统由某一平衡态出发，经过任意的一系列过程又回到原来的平衡态的整个变化过程，叫做循环过程。

顺时针----正循环；逆时针----逆循环。

二、正循环热机及其效率

ABCD所围成的面积就是正循环所做的净功W’

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热机的效率：

word/media/image70.gif由热力学第一定律：

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三、卡诺热机

word/media/image72.gif循环由两条等温线和两条绝热线组成

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四、内燃机循环

1、定体加热循环（奥托循环）

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如：当K=7时，效率为55%.

K为绝热容积压缩比，K越大，效率越高。

2、定压加热循环（笛塞尔循环）

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word/media/image77.gifword/media/image78.gif

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§4.7 焦耳---汤姆孙效应与制冷机

一、制冷循环与制冷系数

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word/media/image81.gif可逆卡诺制冷机的制冷系数

二、焦耳---汤姆孙效应

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绝热节流过程前后的焓不变

节流、膨胀、制冷

三、制冷机

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/087261acfac75fbfc77da26925c52cc58bd690e1.html