第一章热力学第一定律-第二节课件

上节课内容回顾上节课内容回顾上节课内容回顾上节课内容回顾热力学概论体系与环境 体系的分类 体系的性质热力学平衡态状态函数 状态方程 过程与途径热和功热力学第一定律 热力学能U 状态函数 广度性质 表达 U=Q+W 第一类永动机不能制成功与过程 功：自由膨胀 W=0 等外压膨胀 W=-peV 可逆膨胀 W 上节课内容回顾上节课内容回顾上节课内容回顾上节课内容回顾 准静态过程 可逆过程 特点焓 H=U+pV 状态函数 广度性质 没有其他功条件下，U=QV H=Qp 热容 C=Q/dT 数学复习（非常重要，请牢固掌握）：数学复习（非常重要，请牢固掌握）：数学复习（非常重要，请牢固掌握）：数学复习（非常重要，请牢固掌握）：设给定四个状态参量x、y、z和w，且F(x,y,z)=0，而w是变量x、y、z中任意两个的函数，则有下列等式成立：1，倒数关系；2，循环关系 3，链式关系 4，复合函数求导法 5，全微分条件法 1 1.6 6 热力学第一定律对理想气体的热力学第一定律对理想气体的热力学第一定律对理想气体的热力学第一定律对理想气体的应用应用应用应用盖吕萨克焦耳实验理想气体的热力学能和焓理想气体的Cp与Cv之差绝热过程Gay-Lussac-JouleGay-Lussac-Joule实验实验实验实验 将两个容量相等的容器，放在水浴中，左球充满气体，右球为真空（如上图所示）。水浴温度没有变化，即Q=0；由于体系的体积取两个球的总和，所以体系没有对外做功，W=0；根据热力学第一定律得该过程的。盖吕萨克1807年，焦耳在1843年分别做了如下实验：打开活塞，气体由左球冲入右球，达平衡（如下图所示）。Gay-Lussac-JouleGay-Lussac-Joule实验实验实验实验理想气体的热力学能和焓理想气体的热力学能和焓理想气体的热力学能和焓理想气体的热力学能和焓 从盖吕萨克焦耳实验得到理想气体的热力学能和焓仅是温度的函数，用数学表示为：即：在恒温时，改变体积或压力，理想气体的热力学能和焓保持不变。还可以推广为理想气体的Cv,Cp也仅为温度的函数。微观解释微观解释微观解释微观解释通常温度下，气体的热力学能是分子动能和分子间相互作用的位能之和。分子的热运动仅与温度有关，分子的位能与分子间距离有关，也就是和体积有关。实际气体分子间存在相互作用，因此热力学能与温度和体积有关。理想气体忽略分子间相互作用，因此热力学能只是分子动能之和，与体积无关。理想气体的理想气体的理想气体的理想气体的C Cp p与与与与C Cv v之差之差之差之差气体的Cp恒大于Cv。对于理想气体：因为等容过程中，升高温度，体系所吸的热全部用来增加热力学能；而等压过程中，所吸的热除增加热力学能外，还要多吸一点热量用来对外做膨胀功，所以气体的Cp恒大于Cv。一般封闭体系一般封闭体系一般封闭体系一般封闭体系C Cp p与与与与C Cv v之差之差之差之差根据复合函数的偏微商公式（见下页）代入上式，得：一般封闭体系一般封闭体系一般封闭体系一般封闭体系C Cp p与与与与C Cv v之差之差之差之差对理想气体，所以一般封闭体系一般封闭体系一般封闭体系一般封闭体系C Cp p与与与与C Cv v之差之差之差之差证明：代入 表达式得：设：一般封闭体系一般封闭体系一般封闭体系一般封闭体系C Cp p与与与与C Cv v之差之差之差之差重排，将 项分开，得：对照 的两种表达式，得：因为 也是 的函数，绝热过程绝热过程绝热过程绝热过程（adiabatic process)adiabatic process)绝热过程的功 在绝热过程中，体系与环境间无热的交换，但可以有功的交换。根据热力学第一定律：这时，若体系对外作功，热力学能下降，体系温度必然降低，反之，则体系温度升高。因此绝热压缩，使体系温度升高，而绝热膨胀，可获得低温。绝热过程绝热过程绝热过程绝热过程（adiabatic process)adiabatic process)绝热过程方程式 理想气体在绝热可逆过程中，三者遵循的关系式称为绝热过程方程式，可表示为：式中，均为常数，为热容比。在推导这公式的过程中，引进了理想气体、绝热可逆过程和 是与温度无关的常数等限制条件。绝热过程（绝热过程（绝热过程（绝热过程（adiabatic process)adiabatic process)绝热可逆过程的膨胀功 理想气体等温可逆膨胀所作的功显然会大于绝热可逆膨胀所作的功，这在P-V-T三维图上看得更清楚。在P-V-T三维图上，黄色的是等压面；兰色的是等温面；红色的是等容面。体系从A点等温可逆膨胀到B点，AB线下的面积就是等温可逆膨胀所作的功。绝热过程（绝热过程（绝热过程（绝热过程（adiabatic process)adiabatic process)绝热可逆过程的膨胀功 如果同样从A点出发，作绝热可逆膨胀，使终态体积相同，则到达C点，AC线下的面积就是绝热可逆膨胀所作的功。显然，AC线下的面积小于AB线下的面积，C点的温度、压力也低于B点的温度、压力。绝热过程（绝热过程（绝热过程（绝热过程（adiabatic process)adiabatic process)绝热过程（绝热过程（绝热过程（绝热过程（adiabatic process)adiabatic process)从两种可逆膨胀曲面在PV面上的投影图看出：两种功的投影图AB线斜率：AC线斜率：同样从A点出发，达到相同的终态体积，等温可逆过程所作的功（AB线下面积）大于绝热可逆过程所作的功（AC线下面积）。因为绝热过程靠消耗热力学能作功，要达到相同终态体积，温度和压力必定比B点低。绝热过程（绝热过程（绝热过程（绝热过程（adiabatic process)adiabatic process)绝热过程（绝热过程（绝热过程（绝热过程（adiabatic process)adiabatic process)绝热功的求算（1）理想气体绝热可逆过程的功所以因为绝热过程（绝热过程（绝热过程（绝热过程（adiabatic process)adiabatic process)（2）绝热状态变化过程的功 因为计算过程中未引入其它限制条件，所以该公式适用于固定组成封闭体系的一般绝热过程，不一定是理想气体，也不一定是可逆过程。绝热过程的特点绝热过程的特点绝热过程的特点绝热过程的特点1.U=W2.一般情况下，绝热过程pVT同时变化。3.从同一状态，经不同的绝热过程，其末态是不同的。4.绝热可逆过程功最大（同一状态出发，经不同绝热过程到达相同体积或相同压力，绝热可逆过程功最大）5.在系统的p-V图上，同一点处的绝热线比等温线更陡。例题例题例题例题第一个过程是等温可逆膨胀，所以需要采用W=nRTln(V1/V2)来计算功，需要先求出物质的量n和V2.绝热过程功的求法有两种，此题知道Cv,m，便适合采用W=nCv,m(T2-T1)。知道T1，设法求T2，可采用pV=nRT来求，但是还需要先求出V2，可采用绝热可逆过程p1V1=p2V2 来求得V2.第三步为绝热不可逆膨胀，且是等外压膨胀，求功有两个公式，可以用这两个公式建立一元方程进行求解。习题习题习题习题习题分析习题分析习题分析习题分析(1)等容过程，体积不变，体积功为零 U=Qv，理想气体U=CvdT(2)等温过程，U不变，U=0 Q=-W,W=-nRTln(V2/V1)(3)等压过程，W=-pV,Qp=CpdT，U=Qp+W 或 理想气体U=CvdT 或 U是状态函数，U=-(U1+U2)=-U1