热力学第一定律湖北工业大学.ppt

第一章热力学第一定律,2.8热力学第一定律对理想气体的应用,2.1热力学概论,2.3热力学的一些基本概念,2.4热力学第一定律,2.5准静态过程与可逆过程,2.6焓,2.7热容,热力学研究的目的、内容和方法,化学热力学研究的方法：,化学热力学研究的目的：用化学热力学的理论处理,热力学：研究系统宏观性质变化与系统性质变化之间关系的科学,化学热力学研究的内容：,热力学基本定律,特定状态函数,状态函数增量,实际问题,宏观性质,热力学方法的优点：,热力学方法的局限：,热力学的一些基本概念,环境：,作为研究对象的物质及所在空间,系统以外且与系统密切相关的物质及所在空间,系统：,强度性质：,具有部分加和性，反映系统量的特性,不具有部分加和性，反映系统质的特性,广度性质：,状态：,状态函数：,系统的宏观性质，与系统的状态之间存在单值,系统一切性质的总和,状态函数性质：,是系统平衡状态的单值函数,改变量取决于系统的始、末态，与变化过程无关,对应关系,环境,系统,实边界,虚边界,系统,固定边界,活动边界,封闭系统,系统,无物质交换有能量交换,无物质、能量交换,有物质、能量交换,敞开系统,系统,隔离系统,系统,环境,在数学上：,若X=f(x、y、z)则,若X=f(y、z)则,均相单组分系统：,均相多组分系统：,多相系统：,质量两个可独立变化的性质,质量两个可独立变化的性质组成,相律,描述系统状态所需状态函数数目：,热力学平衡态：,力平衡,热平衡,化学平衡,相平衡,过程：,途径：,系统状态发生的变化,实现某一过程所经历的具体步骤,等温过程：T初T末Te常数,等容过程：系统体积保持不变,绝热过程：系统与环境之间无热交换,循环过程：X=0,可逆过程,等压过程：p初p末pe常数,相：系统中物理性质和化学性质都均匀的部分,不同的物质,单相，如：理想混合气体，不饱和溶液,多相，如：固体盐固体糖,同一物质（水）,单相，如：水蒸气、冰,多相，如：水水蒸气共存,思考题：,冰块,金属棒是否处于热力学平衡态？,100,杯中的水处于热力学平衡态？,所谓平衡态是指在一定条件下，系统中各个相的宏观性质不随时间变化，且将系统与环境隔离，系统的性质仍不改变的状态。仅当系统处于平衡态时，每个相的各种性质才有确定不变的性质,热：QJ,功：WJ,由于温差在系统与环境间产生的能量传递,性质：,能量传递的一种形式，非状态函数，其值与过程有关,系统吸热为正；放热为负,在微小过程中的改变量为Q,功广义力广义位移,电功外加电势差所通过电量,表面功表面张力面积改变量,性质：,能量传递的一种形式，非状态函数，其值与过程有关,系统做功为负；得功为正,在微小过程中的改变量为W,体积功：,dV=Adl,Fe=peA,W=F外dl,W=peAdlpedV,系统由,p1、V1、T1,p2、V2、T2,We=,热力学能：UJ、kJ,热力学能，系统内所有粒子除整体势、动能外全部能量的总和。,性质：,系统的广度性质，状态函数,组成一定的系统，当其发生一单纯pVT变化时有,绝对值不可求,U=f(T、V),热力学第一定律,E=Q+W,U=Q+W,宏观静止系统无整体运动无特殊外力场,系统发生微小变化：,dU=Q+W,隔离系统：,U=0,思考题,如右图所示，在一绝热箱中装有水，水中通一电阻丝，由蓄电池供电，通电后水及电阻丝的温度均略有升高。问在下列情况下有：,Q,0；,W,0；,U,0；,(填、=),以水为系统，其余为环境；,以水和电阻丝为系统，其余为环境；,以蓄电池为系统，其余为环境。,夏天将室内电冰箱的门打开，接通电源并紧闭门窗(设墙壁、门窗均不传热)，能否使室内温度降低？为什么？若使用空调，情况又如何？,压缩功,膨胀功,We,压72(atmm3),298K4atm6m3,298K1atm24m3,We,膨18(atmm3),We,总54(atmm3),298K4atm6m3,298K1atm24m3,We,压56(atmm3),We,膨24(atmm3),We,总32(atmm3),298K2atm12m3,4atm6m3,1atm24m3,We,压44(atmm3),We,膨26(atmm3),We,总18(atmm3),3atm8m3,2atm12m3,We,4=,We,压33.7(atmm3),We,膨33.7(atmm3),We,总0(atmm3),准静态过程：由一连串非常接近于平衡的状态构成,可逆过程：无任何能量耗散的准静态过程,特征：,过程的正、逆向均沿同一过程进行。当系统进行一,可逆过程系统做功的绝对值最大,变化无限小,循环过程后，系统和环境均回到原态,等容热，QV：等容、Wf0过程中系统与环境交换的热,V=0Wf0,等压热，QP：等压、Wf0过程中系统与环境交换的热,焓,推导,焓，H性质：状态函数，广度性质；,绝对值无法求；,隔离系统中焓不一定守恒；,无明确的物理意义；,研究H的变化规律：,H随温度的变化,H随压力的变化（包括理想气体、非理想气体）,相变过程中H的变化,化学过程中H的变化,H2O(l)100，101.325kPa,H2O(g)100，101.325kPa,途径1:H1=Q=40.71kJ（等压、Wf0）,途径2向真空膨胀,途径2:H2=H1=40.71kJQ（p1=p1pe=0）,？,一个绝热圆筒上有理想绝热活塞，其中有理想气体，内壁绕有电阻丝。当通电时气体就慢慢膨胀。因为是恒压过程，Q=H0；又因为是绝热系统，所以Q=H=0。如何解释这两个相互矛盾的结论？,摩尔热容，Cm，Jmol1K1,1mol物质在无相变、化学反应；Wf0的条件下温度每升,影响热容的主要因素：,物质的种类、相态,升温过程,定容摩尔热容，CV，m,定压摩尔热容，Cp，m,Cm,高1K所需要的热量,101.325kPa273.15K,Cm(乙醇,l）11.5Jmol1K1,Cm(水,l）75.3Jmol1K1,Cm(水,g）33.6Jmol1K1,Wf0V=0,dU=QV,Wf0p=0,dH=Qp,等容，Wf0，单纯pVT变化,等压，Wf0，单纯pVT变化,Cp，m=,=,CV，m=,=,等容，Wf0，单纯pVT变化,等压，Wf0，单纯pVT变化,返回,UQV,CV，m,HQp,Cp，m,摩尔热容与T,图、表,函数关系式：Cp，mabTcT2dT3,说明：,气体热容可用于低压气体,理想气体CV，mCp，mR(低压气体近似成立),注意函数关系式应用的相态、温度范围，不能随意,变化过程中有相变过程时，热的求算应分段进行,理想气体单原子分子Cp，m2.5R,双原子分子Cp，m3.5R,非线型多原子分子Cp，m4R,理想混合气体Cp，m,外推,热力学第一定律对理想气体的应用,00U=f（T）,00H=f（T）,在单纯pVT变化中理想气体的热力学能和焓仅为温度的函数,1.理想气体的热力学能和焓,比较,对纯液、固体：,Cp，mCV，m（部分物质）,对非理想气体：,Cp，mCV，m,2.Cp，m与CV，m间的关系推导,对理想气体：推导,U=f（T、V）,盖吕萨克焦耳实验,0,绝热过程的功和过程方程式(理想气系统统）,等容过程：,等压过程：,等外压过程：,(非等温),W=p环（V2V1）nR（T2T1）,等温可逆过程：,常数=p环p2p1,（等温）,W=p环（V2V1）nRT（1）,p环p2p1常数,W=p环（V2V1）nRT（T2T1）,W=0,W=nRTln=nRTln,绝热可逆过程：推导,绝热指数,常数,P常数,T常数,绝热方程,非状态方程,等外压为终态压力下的绝热过程（不可逆过程）：,设CV，m为常数推导,T2T1,T2T1,或,多方过程：,pVn常数,1.一定量的理想气系统统从同一始态：p1、V1、T1出发，分别经绝热可逆过程和绝热不可逆过程能达到同一终态吗？为什么？,2.一定量的理想气系统统从同一始态：p1、V1、T1出发，分别经绝热可逆过程和等温可逆过程能达到同一终态吗？为什么？,10mol某双原子理想气体，由始态300K、1000kPa依次经过,例1,恒容加热到600K；,再恒压冷却到500K；,最后可逆绝热膨胀到400K。,试求整个过程的Q、W、U及H。,下列过程：,例2,常数的途径，可逆地变化至800kPa的末态。求：,5mol单原子理想气体由300K、400kPa的始态，沿着=,上述过程的Q、W及U；,此过程系统的热容量为若干？,