物化章热力学第一定律及其应用学习教案.pptx
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1、物化章热力学第一物化章热力学第一(dy)定律及其应用定律及其应用第一页,共81页。2023/2/72023/2/7第一(dy)章 热力学第一(dy)定律7.热力学第一(dy)定律对理想气体的应用8.热化学9.赫斯定律10.几种(j zhn)热效应11.基尔霍夫定律第1页/共81页第二页,共81页。2023/2/72023/2/71.1 热力学概论(giln)(1)热力学的定义(dngy)(2)热力学的组成(z chn)热力学第一定律:1850 焦耳 迈耶尔热力学第二定律:1850 开尔文 克劳修斯热力学第三定律:20世纪初 热力学是研究能量相互转换过程中遵循的规律的科学。第2页/共81页第三页
2、,共81页。2023/2/72023/2/71.1 热力学概论(giln)(3)热力学的研究(ynji)对象研究各种物理变化和化学变化过程中所发生的能量效应 第一定律研究化学变化的方向和限度第二定律阐明绝对熵的数值第三定律第3页/共81页第四页,共81页。2023/2/72023/2/71.1 热力学概论(giln)研究对象是大数量分子的集合体,研究宏观性质(xngzh),所得结论具有统计意义。只考虑变化前后(qinhu)的净结果,不考虑物质的微观结构和反应机理。能判断变化能否发生以及进行到什么程度,但不考虑变化所需要的时间。局限性不知道反应的机理、速率和微观性质,只讲可能性,不讲现实性。(4
3、)热力学的特点第4页/共81页第五页,共81页。2023/2/72023/2/71.2 几个(j)基本概念系统:把一部分(b fen)物体从其它部分(b fen)划分出来作为研究的对象,这一部分(b fen)物体即称为系统。环境:系统(xtng)以外并且与系统(xtng)有相互作用的部分称为环境。(1)系统和环境1.敞开系统 系统与环境 既有物质交换,又有能量交换。2.封闭系统 系统与环境 无物质交换,但有能量交换。3.孤立系统 系统与环境 既无物质交换,又无能量交换,又称隔离系统。第5页/共81页第六页,共81页。2023/2/72023/2/7(2)状态(zhungti)和状态(zhung
4、ti)函数状态:指系统的宏观的物理性质(wl xngzh)和化学性质。状态函数:状态性质,描述(mio sh)系统性质的宏观物理量。质量,温度,压力,体积,浓度,密度,粘度,折光率等;内能,焓,熵,自由能均是状态函数。广度性质(容量性质):与系统的物质的量成正比,如体积、质量、熵等。这种性质有加和性。强度性质:与系统的数量无关,不具有加和性,如温度、压力等。两个容量性质之比成为系统的强度性质,如密度等。第6页/共81页第七页,共81页。2023/2/72023/2/7(2)状态(zhungti)和状态(zhungti)函数状态函数的特性(txng):只取决于系统的起始和最终状态。状态(zhun
5、gti)函数在数学上具有全微分的性质。系统状态函数之间的定量关系式称为状态方程。对于一定量的单组分均匀系统,状态函数T,p,V 之间有一定量的联系。经验证明,只有两个是独立的,它们的函数关系可表示为:T=f(p,V);p=f(T,V);V=f(p,T)例如,理想气体的状态方程可表示为:pV=nRT第7页/共81页第八页,共81页。2023/2/72023/2/7(3)过程(guchng)和途径2.途径:系统(xtng)状态发生变化所采取的具体步骤。1.过程(guchng):系统状态所发生的一切变化。等温过程,等压过程,等容过程及绝热过程等。25oC,105Pa25oC,5105Pa100oC,
6、105Pa100oC,5105Pa等温过程等温过程等压过程等压过程第8页/共81页第九页,共81页。2023/2/72023/2/7(4)热力学平衡(pnghng)当系统的诸性质不随时间而改变,则系统就处于热力学平衡,它包括下列(xili)几个平衡:1.热平衡(thermal equilibrium)系统(xtng)各部分温度相等。2.力学平衡(mechanical equilibrium)没有刚壁存在的前提下,系统各部分的压力处处相等。3.相平衡(phase equilibrium)多相共存时,各相的组成和数量不随时间而改变。4.化学平衡(chemical equilibrium)化学反应系
7、统中各物的数量不再随时间而改变。第9页/共81页第十页,共81页。2023/2/72023/2/7(5)功和热系统(xtng)吸热,Q0;系统(xtng)放热,Q0。系统对环境作功,W0;系统对环境作功,W0;系统放热,Q0。第14页/共81页第十五页,共81页。2023/2/72023/2/7(4)热力学第一(dy)定律 第一类永动机 一种既不靠外界提供能量,本身也不减少能量,却可以不断对外作功的机器称为第一类永动机,它显然(xinrn)与能量守恒定律矛盾。第一定律也可表述(bio sh)为:第一类永动机是不可能制成的。历史上曾一度热衷于制造这种机器,均以失败告终,也就证明了能量守恒定律的正
8、确性。第15页/共81页第十六页,共81页。2023/2/72023/2/7(4)热力学第一(dy)定律例题1:设一电阻丝浸入水中,接上电源通电一段时间。若选择不同系统,问:U,Q和W为正负(zhn f)还是零?水绝热第16页/共81页第十七页,共81页。2023/2/72023/2/7(4)热力学第一(dy)定律水水绝绝热热系系统统电源电阻丝水电源电阻丝水电阻丝水电阻丝电源QWU第17页/共81页第十八页,共81页。2023/2/72023/2/7(4)热力学第一(dy)定律系统电源电阻丝水电源电阻丝水电阻丝水电阻丝电源Q=W=U=1.解:第18页/共81页第十九页,共81页。2023/2/
9、72023/2/71.4 功与过程(guchng)及可逆过程(guchng)设在定温下,一定量理想气体在活塞筒中克服外压 ,经4种不同途径,体积从V1膨胀到V2所作的功。1.自由(zyu)膨胀 p外=0系统(xtng)所作功如阴影面积。(1)功与过程2.等外压膨胀(p外=p2)W1=p外dV=0W2=p外dV=p2(V2 V1)第19页/共81页第二十页,共81页。2023/2/72023/2/7(1)功与过程(guchng)3.多次等外压膨胀(png zhng)(1)克服外压为 ,体积从 膨胀到 ;(2)克服外压为 ,体积从 膨胀到 ;(3)克服外压为 ,体积从 膨胀到 。因此(ync)外压
10、差距越小,膨胀次数越多,所作功也越多。所作的功=3次作功之和。第20页/共81页第二十一页,共81页。2023/2/72023/2/7(1)功与过程(guchng)4.外压比内压小一个(y)无穷小的值 dp:准静态膨胀 外相当于一杯水,水不断蒸发,这样的膨胀过程是无限缓慢的,每一步(y b)都接近于平衡态。所作的功为:准静态膨胀,所作的功最大。第21页/共81页第二十二页,共81页。2023/2/72023/2/7(1)功与过程(guchng)1.一次等外压压缩(y su)在外压为 p1下,一次从 V2压缩到V1,环境对系统(xtng)所作的功(即系统(xtng)得到的功)为:压缩过程将体积从
11、V2压缩到V1,有如下三种途径:第22页/共81页第二十三页,共81页。2023/2/72023/2/7(1)功与过程(guchng)2.多次等外压压缩(y su)第一步:用 p”的压力(yl)将系统从 V2 压缩到 V”;第二步:用 p 的压力将系统从 V”压缩到 V;第三步:用 p1 的压力将系统从 V 压缩到 V1。整个过程所作的功为三步加和。第23页/共81页第二十四页,共81页。2023/2/72023/2/7(1)功与过程(guchng)3.外压比内压大一个无穷小的值 dp:准静态(jngti)压缩 如果将蒸发掉的水气(shu q)慢慢在杯中凝聚,使压力缓慢增加,恢复到原状,所作功
12、为:则系统和环境都能恢复到原状。第24页/共81页第二十五页,共81页。2023/2/72023/2/7(2)可逆过程 因此:功与变化途径有关。虽然始终(shzhng)态相同,但途径不同,所作功也不相同。显然,可逆膨胀,系统对环境作最大功;可逆压缩,环境对系统作最小功。系统(xtng)经过某一过程从状态(1)变到状态(2)之后,若能使系统(xtng)和环境都恢复到原来的状态而未留下任何永久性的变化,则该过程称为“热力学可逆过程”。否则为“不可逆过程”。可逆过程中的每一步都接近于平衡态,可以向相反的方向(fngxing)进行,从始态到终态,再从终态回到始态,系统和环境都能恢复原状。第25页/共8
13、1页第二十六页,共81页。2023/2/72023/2/7(2)可逆过程可逆过程的特点(tdin)1.状态变化(binhu)时推动力与阻力相差无限小,系统与环境始终无限接近于平衡态;3.系统变化一个(y)循环后,系统和环境均恢复到原态;4.等温可逆过程中系统对环境作最大功,环境对系统作最小功。2.过程中任何一个中间态均可从正、逆两个方向到达;第26页/共81页第二十七页,共81页。2023/2/72023/2/7(3)常见的可逆变化(binhu)过程1.等温过程 系统的始态温度与终态温度相同(xin tn),并等于环境温度。2.等压过程 系统的始态压力与终态压力相同(xin tn),并等于环境
14、压力。3.等容过程 系统的容积始终保持不变。4.绝热过程 系统与环境不发生热的传递。对那些变化极快的过程,如爆炸,快速燃烧,系统与环境来不及发生热交换,那个瞬间可近似作为绝热过程处理。5.循环过程 系统从始态出发,经过一系列变化后又回到始态的变化过程。循环过程所有状态函数变量等于零。第27页/共81页第二十八页,共81页。2023/2/72023/2/71.4 功与过程(guchng)及可逆过程(guchng)例题2:在25 oC时,2 mol的H2的体积为 15 dm3,此气体(qt)(1)等温下反抗外压 105 Pa膨胀到50 dm3;(2)等温下可逆膨胀到体积为 50 dm3。计算两种过
15、程的功。2.解(1)外压恒定不变,所以该过程为恒外压不可逆过程(2)此过程为等温可逆过程第28页/共81页第二十九页,共81页。2023/2/72023/2/71.5 焓(1)等容下的热系统发生变化只有(zhyu)体积功而不作其他功:因为(yn wi)dV=0,所以 dQV dU,或 QV U。因为U只取决于系统(xtng)的始态和终态,所以等容热 QV也只取决于系统(xtng)的始态和终态。dU=Q+W=Q p外dV第29页/共81页第三十页,共81页。2023/2/72023/2/71.5 焓(2)等压下的热dU=Qp p外dV等压过程:p始 p外 p终 p(常数(chngsh))所以(s
16、uy):由于U、p、V 都是系统的状态函数,所以 U+pV也是系统的状态函数,它的改变(gibin)量也仅仅取决于系统的始态和终态。第30页/共81页第三十一页,共81页。2023/2/72023/2/71.5 焓定义(dngy)焓 H=U+pV焓是状态(zhungti)函数等压过程中,系统所吸收的热等于(dngy)系统焓的增加。第31页/共81页第三十二页,共81页。2023/2/72023/2/71.6 热容(r rn)每升高(shn o)单位温度系统所需要吸收的热。平均热容(r rn)定义:比热容:系统的质量等于单位质量时的热容。摩尔热容Cm:系统的物质的量为 1mol时的热容。等压热容
17、Cp:等容热容CV:第32页/共81页第三十三页,共81页。2023/2/72023/2/7热容与温度的函数关系因物质、物态和温度区间(q jin)的不同而有不同的形式。例如,实际气体的等压摩尔热容与T 的关系有如下经验式:1.6 热容(r rn)热容与温度(wnd)的关系:或式中a,b,c,c,.是经验常数,由各种物质本身的特性决定,可从热力学数据表中查找。第33页/共81页第三十四页,共81页。2023/2/72023/2/7 1.7 热力学第一定律(dngl)对理想气体的应用(1)盖吕萨克焦耳实验(2)理想气体(l xin q t)的内能和焓(3)理想气体(l xin q t)的Cp与C
18、V之差(4)绝热过程第34页/共81页第三十五页,共81页。2023/2/72023/2/7(1)Gay-Lussac-Joule实验(shyn)将两个容量相等的容器,放在水浴中,左球充满气体,右球为真空。水浴温度没有变化,即Q=0;由于系统的体积取两个球的总和,系统没有对外做功,W=0;打开活塞,气体由左球冲入右球,达平衡。第35页/共81页第三十六页,共81页。2023/2/72023/2/7(2)理想气体(l xin q t)的内能和焓 从盖吕萨克焦耳实验得到理想气体的内能和焓仅是温度的函数,用数学(shxu)表示为:即:在恒温时,改变体积或压力,理想气体的内能(ni nn)和焓保持不变
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