第十五章-热力学第一定律(与“过程”有关的文档共41张)

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十五章 热力学第一定律,第一页，共41页。,本章内容,本章内容,Contents,chapter 15,热力学第一定律,first law of thermodynamics,cycle Carnot cycle,循环过程 卡诺循环,热力学第一定律对理想气体的应用,application of first law of thermodynamics to ideal gas,第二页，共41页。,第一节 引言,热力学第一定律,热力学第一定律,15-1,s,s,s,s,first law of thermodynamics,热力学是研究物质世界中有关热现象的宏观,理论，它不涉及物质的微观结构，而是将一物质,系统中大量粒子看作一个整体，研究系统所表现,的各种宏观性质和规律。,热力学第一定律是热力学的基本定律，是一个,包括热现象在内的能量守恒与转化的定律。,热力学第一定律首先涉及到,内能,功,热量,的基本概念,热力学第一定律,热力学第一定律,第三页，共41页。,内能,内能 功 热量,内能 功 热量,一、内能,广义上的内能，是指某物体系统由其内部状态所决定的能量。,某给定理想气体系统的内能，是组成该气体系统的全部,分子的动能之和，其值为 ，由状态参量,E,2,i,R,T,M,m,决定，内能 ，是状态参量 的单值函数。,E,T,(,),E,T,T,真实气体的内能除了其全体分子的动能外还包括分子之间,的引力势能。实验证明人，真实气体的内能，是状态参量,和 （或 ）的函数，即 或 。,T,V,p,E,T,(,),E,V,p,E,T,(,),E,总之，某给定气体系统的内能。只由该系统的状态所决定，,在热力学中内能是一个重要的状态量。,第四页，共41页。,功,二、功,A,d,F,l,d,气体压强,p,活塞面积,S,l,d,气体系统体积变化过程,所做的功（体积功）,元功,p,V,d,p,S,l,d,气体膨胀 系统对外做正功,V,d,0,A,d,0,气体被压缩 系统对外做负功,V,d,0,A,d,0,d,A,c,A,b,V,b,a,V,a,与过程有关,A,O,p,V,体积从 变到 系统所做的功,V,a,V,b,A,p,V,d,V,a,V,b,d,A,沿,a c b,过程的功,沿,a d b,过程的功,系统通过体积变化实现作功。,热力学中的功是与系统始末状,态和过程都有关的一种,过程量,。,第五页，共41页。,热量,三、热量,热量是系统与外界仅由于,温度不同而传递的能量。,系统,外,界,质量,M,比热,c,吸收热量,d,Q,温度升高,d,T,d,Q,d,c,M,T,若改用摩尔热容,C,即,1,mol,的物质温度升,高1,K,时所吸收的热量,则,d,Q,d,T,C,M,m,的过程中所吸收的热量,系统由温度,T,1,变到温度,T,2,Q,T,1,2,T,M,m,T,d,C,Q,d,0,Q,0,Q,系统吸收的热量为正,若计算结果 则表示系统放热。,热量必须与过程相联系，只有发生,过程才有吸收或放出热量可言。,系统从某一状态变到另一状态，若其,过程不同，则吸或放的热量也会不同。,故,热量也是,过程量,第六页，共41页。,实质,性 质,实 质,内能,热量,功,状态量,过程量,过程量,是构成系统的全部分子,的平均能量之和。,是系统的宏观有序机械,运动与系统内大量分子无,规热运动的相互转化过程。,是外界物质分子无规热,运动与系统内物质分子无,规热运动的相互转化过程。,内能 功 热量,的国际标准单位都是,焦耳 （,J）,第七页，共41页。,热力学第一定律,Q,1,2,E,E,A,在任何一个热力学过程中，系统所吸收的热量,等于系统内能的增量,与系统对外作功 之和。,A,Q,1,2,E,E,热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转化定律的一种表达形式。,该定律的另一种通俗表述是：第一类永动机是不可能造成的。,第一类永动机是指能不断对外作功而又不需消耗任何形式的能量、或消耗较少的能量却能得到更多的机械功的机器。,热力学第一定律,热力学第一定律,第八页，共41页。,微过程表达式,热力学第一定律,热力学第一定律,Q,1,2,E,E,A,在任何一个热力学过程中，系统所吸收的热量,等于系统内能的增量,与系统对外作功 之和。,A,Q,1,2,E,E,热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转化定律的一种表达形式。,该定律的另一种通俗表述是：第一类永动机是不可能造成的。,第一类永动机是指能不断对外作功而又不需消耗任何形式的能量、或消耗较少的能量却能得到更多的机械功的机器。,对于一个无限小的过程，热力学第一定律可写成,Q,d,A,d,p,d,V,d,E,d,E,式中各量均为代数量，有正有负,系统吸收热量，,Q,d,(,或,Q,(,为正，放出热量则为负,E,系统内能增加，,d,(,或,(,为正，内能减少则为负,1,2,E,E,系统对外作功，,d,(,或,(,为正，外界对系统作功则为负,A,A,式中各量的单位制必须统一。,第九页，共41页。,凡例,p,O,V,解法提要：,Q,A,1,2,E,E,I,过,程,I,I,过,程,V,a,a,b,V,b,求,的过程中，系统内能的变化及对外作的功。,从,b,态 回到,a,态,例,系统从平衡态,a,平衡态,b,吸收热量,500,J，,对外作功,400,J；,然后从,b,态 回到,a,态，向外放出热量,300,J。,I,I,I,I,I,过程,I,E,E,a,Q,A,I,I,b,500,400,100,(,J),300,200,过程,I,I,E,a,E,b,(,),E,E,a,b,100,(,J),Q,A,I,I,I,I,(,),E,E,a,b,(,100,),(,J),0,外界向系统作功,第十页，共41页。,第二节 等体过程,热力学第一定律对理想气体的应用,15-2,s,s,s,s,application of first law,of thermodynamics to ideal gas,等体过程,等体过程,（又称等容过程）,（又称等容过程）,理想气体的物态方程,V,p,M,m,R,T,系统保持体积,不变,过程方程,V,T,常量,p,1,p,O,V,a,V,b,a,a,p,p,b,Q,A,1,2,E,E,热力学第一定律,d,Q,d,E,d,A,0,理想气体的内能,E,2,i,R,T,M,m,d,E,T,d,2,i,R,M,m,V,d,Q,d,E,T,d,2,i,R,M,m,T,a,b,T,V,等,等,V,过程系统吸收的热量为,Q,V,V,d,Q,2,i,R,M,m,b,T,T,a,(,(,b,E,E,a,C,2,i,R,V,其中,称为,定体摩尔热容,T,V,d,Q,d,E,T,d,2,i,R,M,m,Q,V,r,E,M,m,C,V,r,本式也是计算,d,E,r,E,的普遍式,、,等体升压过程所吸收的热量,全部用于增加系统的内能,第十一页，共41页。,等压过程,等压过程,等压过程,Q,A,1,2,E,E,热力学第一定律,d,Q,d,E,d,A,理想气体的物态方程,V,p,M,m,R,T,系统保持压强,不变,过程方程,V,T,常量,1,p,p,O,V,a,V,a,p,b,b,a,V,理想气体的内能,E,2,i,R,T,M,m,d,E,T,d,M,m,C,V,p,d,A,d,V,T,d,R,M,m,d,V,p,p,d,A,故,T,d,R,M,m,d,p,Q,d,E,p,d,A,T,d,M,m,C,V,T,d,R,M,m,p,d,A,T,d,R,M,m,p,A,p,(,(,V,a,V,b,p,Q,d,p,Q,(,(,a,b,E,E,p,(,(,V,a,V,b,M,m,C,V,(,(,T,a,T,b,R,M,m,(,(,T,a,T,b,等压膨胀过程所吸收的热量,一部分用于增加系统的内能,一部分用于对外界做功,常写成,p,Q,M,m,C,V,(,(,R,(,(,T,a,T,b,M,m,C,p,(,(,T,a,T,b,其中,C,V,R,C,p,称为定压摩尔热容,第十二页，共41页。,比热容比,定体,摩尔热容,C,V,定压,摩尔热容,C,p,C,V,R,2,i,2,R,2,i,R,R,（,1,mol,气体在,等体,过程中温度升高1,K,所吸收的热量,）,（,1,mol,气体在,等压,过程中温度升高1,K,所吸收的热量）,1,M,m,T,d,d,Q,V,理想气体常用式,2,i,R,C,V,p,C,p,1,M,m,T,d,d,Q,理想气体常用式,热力学中还常用到,比热容比,的概念：,定压,摩尔热容,比热容比,g,定体,摩尔热容,C,V,C,p,i,2,R,i,理想气体常用式,g,C,p,C,V,i,R,2,i,R,R,2,（,定压、定体两种,比热之比,或定压、定体两种摩尔,热容之比,）,第十三页，共41页。,等体等压例题,求,全过程系统吸收量热、对外作功及内能变化,a,b,c,例,已知,O,2,3,.,2,0,M,k,g,V,V,c,V,a,p,p,p,a,c,O,(,),O,2,1,1,m,m,O,l,2,3,.,0,k,g,0,2,i,5,2,1,8,5,p,c,p,a,p,b,V,c,V,a,V,b,p,b,V,b,K,T,b,4,2,0,A,b,c,a,0,A,b,c,1.75 10 (,J),5,E,E,E,c,a,M,m,C,V,(,T,c,T,b,),1.09 10 (,J),5,Q,E,A,b,c,a,2.84 10 (,J),5,放热,内能减少,T,a,T,b,p,a,p,b,等体,a,b,A,a,b,0,T,a,p,a,p,b,T,b,262.5(,K),b,c,等压,V,V,b,c,T,b,T,c,T,c,T,b,V,c,V,b,210(,K),A,b,c,M,m,p,V,(,c,V,b,),R,(,T,c,T,b,),1.75 10 (,J),5,外界对系统作功,c,a,b,解法提要：,Q,A,E,V,p,R,M,m,T,E,M,m,T,C,V,2,i,R,C,V,第十四页，共41页。,等温过程,0,0,Q,A,1,2,E,E,热力学第一定律,d,Q,d,E,d,A,理想气体的内能,E,2,i,R,T,M,m,d,E,T,d,M,m,C,V,d,A,T,p,d,V,d,Q,T,M,m,R,T,V,d,V,A,T,d,A,T,a,V,b,V,M,m,R,T,V,d,V,M,m,R,T,ln,b,V,a,V,Q,T,V,p,M,m,R,T,等温过程气体吸收的热量全部转化为对外作功。,理想气体的物态方程,V,p,M,m,R,T,系统保持温度,不变,T,常量,V,p,p,O,V,a,V,b,V,b,a,a,p,p,b,等,温,膨,胀,过程方程,等温过程,等温过程,第十五页，共41页。,绝热过程,Q,A,1,2,E,E,热力学第一定律,系统不与外界交换热量,Q,0,A,Q,2,E,1,E,(,),理想气体的内能,E,2,i,R,T,M,m,2,E,1,E,(,),M,m,C,V,T,(,2,T,1,),2,i,R,M,m,T,(,2,T,1,),M,m,C,V,T,(,2,T,1,),g,C,p,C,V,C,V,R,C,V,C,V,g,1,R,理想气体的物态方程,V,p,R,M,m,T,T,(,2,T,1,),R,M,m,V,p,V,p,2,2,1,1,V,p,V,p,2,2,1,1,(,g,1,(,C,V,M,m,V,p,V,p,2,2,1,1,g,1,V,p,2,2,V,p,1,1,g,1,在绝热过程中,全靠消耗系统自身的内能对外作功,1,mol,理想气体绝热功的大小为,C,V,(,T,2,