浙师大物化课件01第一章热力学第一定律.ppt
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1、1 1.1 1 热力学概论热力学概论 1.2 1.2 热平衡和热力学第零定律热平衡和热力学第零定律温度的概念温度的概念1.3 1.3 热力学的一些基本概念热力学的一些基本概念1.4 1.4 热力学第一定律热力学第一定律1.5 1.5 准静态过程与可逆过程准静态过程与可逆过程1.6 1.6 焓焓1.7 1.7 热容热容1.8 1.8 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 1.9 Carnot.9 Carnot循环循环1 1.10 Joule.10 Joule-ThomsonThomson效应效应1.11 1.11 热化学热化学1.12 Hess1.12 Hess定律定律
2、1.13 1.13 几种热效应几种热效应1.14 1.14 反应焓变与温度的关系反应焓变与温度的关系KirchhoffKirchhoff定律定律第一章第一章 热力学第一定律热力学第一定律1 1.1 1.1 1 热力学的基本内容热力学的基本内容1 1.1 1.2 2 热力学在实际中的应用热力学在实际中的应用1 1.1 1.3 3 热力学方法的局限性热力学方法的局限性1.1 1.1 热力学概论热力学概论 热力学热力学(thermodynamics)历史漫长:古希腊对热的历史漫长:古希腊对热的本质的争论本质的争论;18世纪之前,人们对热的认识仍是模糊的,没有世纪之前,人们对热的认识仍是模糊的,没有正
3、确的科学理论正确的科学理论;19世纪中叶,在实验的基础上,科学的理论才得世纪中叶,在实验的基础上,科学的理论才得以建立起来。以建立起来。1850年左右,年左右,Joule,英国,建立了第一定律,英国,建立了第一定律1848年,年,Kelvin,英国,英国1850年,年,Clausius,德国,德国建立了第二定律建立了第二定律基本构成热力学理论的基础基本构成热力学理论的基础1 1.1 1.1 1 热力学的基本内容热力学的基本内容 热力学热力学主要研究主要研究宏观系统的热现象和其他形式能量之宏观系统的热现象和其他形式能量之间的转换关系。间的转换关系。第第零零定律:热平衡的互通性,并为温度建立了严格
4、的科学定义。定律:热平衡的互通性,并为温度建立了严格的科学定义。第第一一定律:计算变化中的热效应。定律:计算变化中的热效应。第第二二定律:解决变化的方向及限度,以及相平衡和化学平衡问题。定律:解决变化的方向及限度,以及相平衡和化学平衡问题。第第三三定律:低温定律,阐明了规定熵的数值定律:低温定律,阐明了规定熵的数值第零定律和第三定律的提出,使得热力学理论更加严密。第零定律和第三定律的提出,使得热力学理论更加严密。用热力学基本原理来研究化学现象以及与化学有关的用热力学基本原理来研究化学现象以及与化学有关的物理现象,称为物理现象,称为化学热力学化学热力学。1 1.1 1.1 1 热力学的基本内容热
5、力学的基本内容1.煤含量超过石油,如何利用煤来合成一系列化工煤含量超过石油,如何利用煤来合成一系列化工产品产品;2.氮肥,生物固氮(豆科植物);氮肥,生物固氮(豆科植物);3.石墨转化为金刚石,当石墨转化为金刚石,当p 15000 p;4.工工业业萃取,分离萃取,分离;5.1 1.1 1.2 2 热力学在实际中的应用热力学在实际中的应用 热力学方法热力学方法是一种演绎的方法,研究对象为大数是一种演绎的方法,研究对象为大数量分子的集合体,结论量分子的集合体,结论具有统计意义具有统计意义,只反映平均,只反映平均行为,行为,不适用于个别分子的行为不适用于个别分子的行为。不考虑物质的微观结构和反应进行
6、的机理不考虑物质的微观结构和反应进行的机理。“知其然不知其所以然知其然不知其所以然”1 1.1 1.3 3 热力学方法的局限性热力学方法的局限性1.2 1.2 热平衡和热力学第零定律热平衡和热力学第零定律温度的概念温度的概念A A与与C C热平衡热平衡B B与与C C热平衡热平衡A A与与B B热平衡热平衡如果两个系统分别和处于确定状态的第三个系统达如果两个系统分别和处于确定状态的第三个系统达到热平衡,则这两个系统彼此也处于热平衡。该热到热平衡,则这两个系统彼此也处于热平衡。该热平衡规律称为平衡规律称为热平衡定律式热平衡定律式或或热力学第零定律热力学第零定律。:为大量实验事实的总结。:为大量实
7、验事实的总结。1.2 1.2 热平衡和热力学第零定律热平衡和热力学第零定律温度的概念温度的概念 互动百科互动百科 温度温度是表示物体冷热程度的物理量,是表示物体冷热程度的物理量,微微观上来讲观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。是物体分子热运动的剧烈程度。从分子运从分子运动论观点看动论观点看,温度是物体分子平均平动动能的标志。,温度是物体分子平均平动动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现,含有统计意义。温度是大量分子热运动的集体表现,含有统计意义。WIKI Temperature is a physical quantity that is a measure of hotness and
8、coldness on a numerical scale.1 1.3 3.1 1 系统与环境系统与环境1 1.3 3.2 2 系统的性质系统的性质1 1.3 3.3 3 热力学平衡态热力学平衡态1 1.3 3.4 4 状态函数状态函数1 1.3 3.5 5 状态方程状态方程1 1.3 3.6 6 过程与途径过程与途径1 1.3 3.7 7 功和热功和热1 1.3 3 热力学热力学的一些基本概念的一些基本概念系统:被划定的研究对象。系统:被划定的研究对象。环境:在系统以外与系统密切相关的部分。环境:在系统以外与系统密切相关的部分。根据系统与环境之间是否有物质或能量的交换可把系统分为:根据系统与
9、环境之间是否有物质或能量的交换可把系统分为:环境环境有物质交有物质交换换敞开系统敞开系统有能量交换有能量交换环境环境无物质交换无物质交换有能量交换有能量交换封闭系统封闭系统环境环境无物质交无物质交换换无能量交换无能量交换隔离系统隔离系统:一般情况下讨论的都是封闭系统:一般情况下讨论的都是封闭系统1 1.3 3.1 1 系统与环境系统与环境A,隔离系统,隔离系统B,封闭系统,封闭系统C,敞开系统,敞开系统物质交换物质交换 能量交换能量交换N NN YY YA A,广度性质,广度性质(容量性质容量性质)具有加和性。具有加和性。数值与系统的数量成正比数值与系统的数量成正比。如:体积,质量,熵和热力学
10、能。如:体积,质量,熵和热力学能。B B,强度性质,强度性质 不具有加和性。不具有加和性。数值取决于系统自身的性质,与系统数量无关。数值取决于系统自身的性质,与系统数量无关。如:温度,压力和密度。如:温度,压力和密度。1 1.3 3.2 2 系统的性质系统的性质:性质是否具有加和性性质是否具有加和性系统处于热力学平衡时必须同时满足:系统处于热力学平衡时必须同时满足:A A,热动平衡:系统各部分温度相同。,热动平衡:系统各部分温度相同。B B,力学平衡:系统各部分直接没有不平衡的力存在。,力学平衡:系统各部分直接没有不平衡的力存在。C C,相平衡:物质在各相之间的分布达到平衡。,相平衡:物质在各
11、相之间的分布达到平衡。D D,化学平衡:存在的化学反应达到平衡。,化学平衡:存在的化学反应达到平衡。:如不作特殊说明,说系统处于某种定态,即指:如不作特殊说明,说系统处于某种定态,即指热力学平衡态。热力学平衡态。1 1.3 3.3 3 热力学平衡态热力学平衡态:系统各性质之间相互联系(如系统各性质之间相互联系(如pV=nRTpV=nRT)经验证经验证明明,在一个单组份封闭体系中,只要指定两个强度,在一个单组份封闭体系中,只要指定两个强度性质,其它的性质随之而定。性质,其它的性质随之而定。状态参数:用以描述系统状态的参数。状态参数:用以描述系统状态的参数。状态函数:系统某一性质随系统状态变化而改
12、变的量状态函数:系统某一性质随系统状态变化而改变的量只只取决于系统的始终态取决于系统的始终态,而与,而与变化所经历的途径无关变化所经历的途径无关。如:如:p p,T T,V V,U U和和H H 为状态函数。为状态函数。W W和和Q Q 不是状态函数。不是状态函数。1 1.3 3.4 4 状态函数状态函数系统状态函数之间的定量关系式称为状态方程。系统状态函数之间的定量关系式称为状态方程。例:例:理想气体的状态方程:理想气体的状态方程:气体的气体的van der Waals van der Waals 方程:方程:1 1.3 3.5 5 状态方程状态方程在一定环境条件下,系统发生由始态到终态的变
13、化,在一定环境条件下,系统发生由始态到终态的变化,称为一个热力学过程,简称称为一个热力学过程,简称过程过程。具体的步骤称为。具体的步骤称为途径途径。过程主要有过程主要有:等温等温:(恒温(恒温?)等压等压:(恒压(恒压?)等容等容:变化过程中体积保持恒定。:变化过程中体积保持恒定。绝热绝热:系统与环境之间无热交换的过程。(:系统与环境之间无热交换的过程。(爆炸爆炸)循环过程循环过程1 1.3 3.6 6 过程与途径过程与途径“热质说热质说”和和“燃素说燃素说”的错误的错误:热是一种没有重量、可以在物:热是一种没有重量、可以在物体中自由流动的物质。体中自由流动的物质。由于温度的不同,而在系统与环
14、境之间交换或传递的能量就是由于温度的不同,而在系统与环境之间交换或传递的能量就是热热。用用Q Q表示表示。(系统与环境之间由于温度的不同而交换的能量系统与环境之间由于温度的不同而交换的能量)把除热以外其它各种形式被传递的能量叫做把除热以外其它各种形式被传递的能量叫做功功。用用W W表示表示。:规定:系统吸热:规定:系统吸热 Q0 Q0;系统放热;系统放热 Q0 Q0。:规定:系统对环境做功:规定:系统对环境做功 W W 0 0。:从微观角度来说,功是大量质点以有序运动而传递的能量;:从微观角度来说,功是大量质点以有序运动而传递的能量;热是大量质点以无序运动方式而传递的能量。热是大量质点以无序运
15、动方式而传递的能量。:热和功的单位都是能量单位:热和功的单位都是能量单位J J焦耳。都不是状态函数,其焦耳。都不是状态函数,其 变化值与具体途径有关。变化值与具体途径有关。(下雨下雨)1 1.3 3.7 7 热和功热和功功等于强度因素与广度因素变化量的乘积。如下表:功等于强度因素与广度因素变化量的乘积。如下表:1 1.3 3.7 7 热和功热和功强度因素的大小决定了能量的传递方向,而广度因素变化强度因素的大小决定了能量的传递方向,而广度因素变化量则决定了功值的大小。通常系统抵抗外力所作的功可以量则决定了功值的大小。通常系统抵抗外力所作的功可以表示为:表示为:1.4 1.4 热力学第一定律热力学
16、第一定律通常系统的总能量通常系统的总能量(E)(E)由下面三部分组成:由下面三部分组成:(1)(1)系统整体运动的平动能系统整体运动的平动能 (T)(T)(2)(2)系统在外力场中的位能系统在外力场中的位能 (V)(V)(3)(3)热力学能热力学能 (U)(U),也称为内能。,也称为内能。化学热力学中,一般研究的系统为化学热力学中,一般研究的系统为静止静止,无特殊外场力无特殊外场力作用的系统。作用的系统。所以一般只考虑所以一般只考虑U U。T=0V=0U:系统内分子的平动能平动能、转动能转动能、振动能振动能和和电子的能量电子的能量,以及分子与分子相互作用的位能相互作用的位能等能量的总和。状态状
17、态1 1状态状态2 2热交换为热交换为Q Q功交换为功交换为W W则:则:U=U2 U1=Q+W对微小变化有:对微小变化有:dU=Q+W第一定律的数学表达式第一定律的数学表达式:有些书上写成:有些书上写成 U=U2 U1=Q-W,是由于对功的正负规定不同。,是由于对功的正负规定不同。:能量守恒定律与第一定律并不完全相同。:能量守恒定律与第一定律并不完全相同。:第一定律是人类经验的总结。:第一定律是人类经验的总结。(热功当量实验热功当量实验):U U是系统内部能量的总和,但目前对内部能量的种是系统内部能量的总和,但目前对内部能量的种类认识有限,所以其绝对值是无法确定的,实际中只类认识有限,所以其
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- 师大 物化 课件 01 第一章 热力学 第一 定律
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