热力学第一定律(共12页).doc
精选优质文档-倾情为你奉上第四章 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0pfpiifViVfAB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。pif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。真空 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。pp1p20V1V2VVV+dV4）、功有正负之分。二、体积膨胀功Apexdx图4 图51、外界对气体所作的元功为：所作的总功为：2、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。等温pp1p2V1V2VABCD0图63、理想气体在几种可逆过程中功的计算等温过程等压过程等体过程 三、其它形式的功1、拉伸弹簧棒所作的功l0l0+dlFFA2、表面张力功LxdxFA是表面张力系数3、可逆电池所作的功GECuSO4ZnSO4CuZnab4、功的一般表达式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 AV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： Q是系统所吸收的能量，W是外界对系统所作的功§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ab, dV=0(Q)v = U任何物体在等体过程中吸收的热量就等于它内能的增量。abcdeTT+dTpV0二、定压热容与焓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）Qv =U=U2 U1U1 为反应物质的内能U2 为生成物质的内能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H=Qp =H2 H1 H2 为生成物质的焓H1 为反应物质的焓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§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BAC焦耳实验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=RT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3、理想气体定压热容及焓4、迈雅（Mayer）公式二、理想气体的等体、等压、等温过程1、等体过程2、等压过程3、等温过程三、绝热过程得：四、多方过程 TVn-1=C Pn-1Tn=Cn=n=n=1n=0等温绝热等体等压pV0n=0, 等压过程n=1, 等温过程n=, 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：3、多方过程摩尔热容10gnCn,m当n> g时：Cn,m >0, T>0, Q>0 吸热若1<n< g时：Cn,m < 0, T>0, Q<0 放热 称为多方负热容§4.6 热机 ABCDpV0一、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、正循环及其效率ABCD所围成的面积就是正循环所做的净功W热机的效率：由热力学第一定律：三、卡诺热机1234T1T2绝热线等温线pV0循环由两条等温线和两条绝热线组成四、内燃机循环1、定体加热循环（奥托循环）0opV1234p1Q1Q2绝热线如：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）01234Q1Q2opVV1V2V3绝热线§4.7 焦耳-汤姆孙效应与制冷机 ABCDpV0一、制冷循环与制冷系数可逆卡诺制冷机的制冷系数二、焦耳-汤姆孙效应焦耳-汤姆孙效应几节流过程绝热节流过程前后的焓不变节流、膨胀、制冷三、制冷机专心-专注-专业
