大学物理化学经典课件1-5-热力学第一定律.ppt

上一内容下一内容回主目录物理化学物理化学BI第一章第一章DU=Q+W2023/2/21上一内容下一内容回主目录1.7 1.7 热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理想气体的应用(1.7.1 1.7.1 自由膨胀自由膨胀(1.7.2 1.7.2 等温过程等温过程(1.7.3 1.7.3 等容过程等容过程(1.7.4 1.7.4 等压过程等压过程(1.7.5 1.7.5 绝热过程绝热过程2023/2/21上一内容下一内容回主目录实验实验 在一个絶热容器中放上水和一在一个絶热容器中放上水和一个连通器，连通器的左球充满气体，个连通器，连通器的左球充满气体，右球抽真空。右球抽真空。盖盖 吕萨克吕萨克1807年，年，焦耳焦耳在在1843年分别做了如下实验：年分别做了如下实验：打开活塞，气体由左球冲入打开活塞，气体由左球冲入右球，达平衡。右球，达平衡。实验发现膨胀后水浴温度实验发现膨胀后水浴温度没有变化，即没有变化，即Q=0；气体向真空膨胀，体系没有气体向真空膨胀，体系没有对外做功，对外做功，W=0；2023/2/21上一内容下一内容回主目录Gay-Lussac-Joule实验实验 以上实验表明，气体向真空膨胀时，热力学能不以上实验表明，气体向真空膨胀时，热力学能不随体积的变化而变化，即温度不变热力学能也不变随体积的变化而变化，即温度不变热力学能也不变。焦耳发现实际气体向真空膨胀时水浴温度有微小焦耳发现实际气体向真空膨胀时水浴温度有微小变化，气体的起始压力越低，变化，气体的起始压力越低，dT越小，起始压力越低，越小，起始压力越低，实际气体的行为越接近理想气体，所以得出推论：实际气体的行为越接近理想气体，所以得出推论：理想气体的热力学能只是温度的函数，与体积、理想气体的热力学能只是温度的函数，与体积、压力无关压力无关。2023/2/21上一内容下一内容回主目录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仅是温度的函数，用数学公式表示为：因为H=U+pV=U(T)+pV=H=U+pV=U(T)+pV=U(T)+nRT U(T)+nRT，所以推出 H=f(T)H=f(T)。即：理想气体的焓也只是温度的函数。2023/2/21上一内容下一内容回主目录Joule定律定律学完第二定律后可严格证明。学完第二定律后可严格证明。注意：上述结论只适用于一定量的理想注意：上述结论只适用于一定量的理想注意：上述结论只适用于一定量的理想注意：上述结论只适用于一定量的理想气体气体气体气体单纯单纯单纯单纯 p p p p，V V V V，T T T T 变化变化变化变化 ！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。2023/2/21上一内容下一内容回主目录Question 在定温定压下，CO2由饱和液体转变为饱和蒸气，因温度不变，CO2的热力学能和焓也不变。2023/2/21上一内容下一内容回主目录理想气体自由膨胀理想气体自由膨胀Q=0，W=0，U=0U=0，H=0H=0。2023/2/21上一内容下一内容回主目录1.7.2 等温过程等温过程 2023/2/21上一内容下一内容回主目录1.7.3 等容过程等容过程2023/2/21上一内容下一内容回主目录1.7.4 等压过程等压过程2023/2/21上一内容下一内容回主目录例题例题例例1.1.某理想气体，其某理想气体，其C CV,V,m m=20JK=20JK 1 1molmol 1 1，现有该气体，现有该气体10 mol10 mol处于处于283 K283 K，采取下列不同途径升温至，采取下列不同途径升温至566 K566 K。试计算各个过程的试计算各个过程的Q Q，W W，U U，H H，并比较之。，并比较之。(1)(1)体积保持不变；体积保持不变；(2)(2)压力保持不变。压力保持不变。2023/2/21上一内容下一内容回主目录例题例题(1)d(1)dV V=0=0，W W=0=0。Q QV V =U U=nC nCV,V,m m(T T2 2T T1 1)=10mol20 JK =10mol20 JK 1 1molmol 1 1（566566283 283）K K =56.6 kJ =56.6 kJ H H=nCp,nCp,m(m(T T2 2T T1 1)=10mol(20 =10mol(208.314)8.314)JKJK 1mol1mol 11（566566 283 283）K=80.129 kJK=80.129 kJ 2023/2/21上一内容下一内容回主目录例题例题(2)(2)d dp p=0=0，U U2 2=U U1 1=56.6 kJ=56.6 kJQpQp=H H=80.129 kJ=80.129 kJW W=U U2 2Qp Qp=-23.529 kJkJ2023/2/21上一内容下一内容回主目录总结总结 例题计算说明例题计算说明:热力学能热力学能U U和焓和焓H H是状态函数，只要系统是状态函数，只要系统变化前后的始、终态一定，则不论经历何变化前后的始、终态一定，则不论经历何种过程，其种过程，其 U U和和 H H一定。一定。本题中虽然始终本题中虽然始终态不明确，但理想气体的态不明确，但理想气体的U U和和H H都只是温度都只是温度的函数，即对理想气体只要始终态温度一的函数，即对理想气体只要始终态温度一定，则不同过程的定，则不同过程的 U U和和 H H相同。而相同。而W W和和Q Q不不是状态函数，其值与过程有关，所以上述是状态函数，其值与过程有关，所以上述二个不同过程的二个不同过程的W W和和Q Q分别不同。分别不同。2023/2/21上一内容下一内容回主目录练习练习 473 473,0.2MPa,1dm,0.2MPa,1dm的双原子分子的双原子分子理想气体理想气体,连续经过下列变化连续经过下列变化:()()定温可逆膨胀到定温可逆膨胀到3dm3dm;()()再定容升温使压力升到再定容升温使压力升到0.2MPa;0.2MPa;()()保持保持0.2MPa0.2MPa降温到初始温度降温到初始温度473473。试计算各步及整个循环过程的试计算各步及整个循环过程的W W,Q Q,U U及及H H。2023/2/21上一内容下一内容回主目录练习练习双原子分子双原子分子473K0.2MPa1dm3双原子分子双原子分子473K？3dm3恒温双原子分子双原子分子？0.2MPa3dm3双原子分子双原子分子473K0.2MPa？定压定容？2023/2/21上一内容下一内容回主目录总结总结 因为理想气体的热力学能及焓只是温度的函数，因为理想气体的热力学能及焓只是温度的函数，所以上面二式对理想气体的单纯所以上面二式对理想气体的单纯p，V，T变化变化(包括包括等压、等容、等温、绝热等等压、等容、等温、绝热等)均适用。均适用。2023/2/21上一内容下一内容回主目录1.7.5 绝热过程（绝热过程（addiabatic process)（1）从先求）从先求U U入手：入手：2023/2/21上一内容下一内容回主目录绝热过程（绝热过程（addiabatic process)（2）从先求）从先求W W入手：入手：2023/2/21上一内容下一内容回主目录绝热可逆过程方程式绝热可逆过程方程式 绝热过程可有两种形式：可逆与不可逆 理想气体在绝热可逆过程中，三者遵循的关系式称为绝热可逆过程方程式，可表示为：式中，均为常数，。应用条件：封闭系统，应用条件：封闭系统，W0，理想气体，绝热，可理想气体，绝热，可逆过程。逆过程。(ratio of the heat capacities)2023/2/21上一内容下一内容回主目录绝热可逆方程的推导绝热可逆方程的推导 W WR=-P外外dV=-PdV=-P体体dV=dV=2023/2/21上一内容下一内容回主目录绝热可逆方程的推导绝热可逆方程的推导2023/2/21上一内容下一内容回主目录例：例：（1）绝热可逆过程；）绝热可逆过程；（2）反抗恒外压）反抗恒外压p的绝热不可逆过程。的绝热不可逆过程。解：解：2023/2/21上一内容下一内容回主目录（1）绝热可逆过程）绝热可逆过程可由下面过程方程求得末态温度：可由下面过程方程求得末态温度：2023/2/21上一内容下一内容回主目录（2）反抗恒外压）反抗恒外压p的绝热过程的绝热过程二式联立可得末态温度二式联立可得末态温度T2=202.8K。2023/2/21上一内容下一内容回主目录Question W=?W=?，Q=?Q=?，U=?U=?，H=?H=?理想气体向真空绝热膨胀理想气体向真空绝热膨胀 W=0 W=0 Q=0 Q=0 U=0 U=0 H=0H=0？2023/2/21