材料热力学第一定律精选文档.ppt

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1、材料热力学第一定律本讲稿第一页，共十七页授课内容授课内容第一章 热力学第一定律本讲稿第二页，共十七页热力学是研究热、和其它形式能量之间的转换关系它包含当体系变化时所引起的物理量的变化。按照福勒(R.H.Fowler)在l93l年提出的建议，上述公理称之为热力学第零定律。热力学第零定律是引出温度概念建立温标的基础。若两个系统分别与第三个系统系统处于热平衡，则他们彼此之间处于热平衡。本讲稿第三页，共十七页无数事实证明：冷热不同的两个物体相接触，它们的温度逐渐接近，最后达到相同。这时，我们说两个物体达到了热平衡。热力学第零定律也可以表示为：一切互为热平衡的物体，具有相同的温度。本讲稿第四页，共十七页

2、第一章 热力学第一定律1-1 热功当量(为第一定律的建立奠定了实验基础为第一定律的建立奠定了实验基础)1842年迈耶年迈耶(Mayer)发表了发表了论无机性论无机性质质的力的论文，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。1843年年焦耳焦耳在英国科学协会会议上宣在英国科学协会会议上宣读了读了论磁电的热效应及热的机械值论文，强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的。焦耳先后用不同的方法做了400多次实验，得出结论：热功当量是一个普适常量，与做功方式无关。本讲稿第五页，共十七页1-1 热功当量(为第一定律的建立奠定了实验基础为第一

3、定律的建立奠定了实验基础)第一章 热力学第一定律焦耳（Joule）和迈耶(Mayer)自1840年起，历经20多年，通过各种实验求证热和功的转换关系，得到一致的结果，提出了“热功当量”的概念”确立了热功当量关系：1 Joule=0.241 cal后来更精确地测定为:1 Joule=0.2389 cal1847年，年，亥姆霍亥姆霍兹兹发发表表论论力的守恒力的守恒，第，第一次系统地阐述了能量守恒原理，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程。它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定的关系。本讲稿第六页，共十七页1-2 热力学第一定律第一章 热力学第一定律能量守恒与转化

4、定律：自然界的一切物质具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，在转化中，能的形式可以转化，但能量的总值不变。将能量守恒定律应用到热力学上，就是热力学第一定律。本讲稿第七页，共十七页 热力学第一定律反映了系统对外作功必须从外界吸收热量或者减少系统内能，即第一类永动机不可能实现。约280年前，有位德国博士奥尔菲留斯发明了一个“永动机”自动轮。最后骗局被博士先生的女仆揭穿了。原来这间安放自动轮的房子里修了一个夹壁墙，只要有人在夹壁墙内牵动绳子，轮子就会转。轮 子不是“永动”的，而是“人动”的。第一章 热力学第一定律本讲稿第八页，共十七页第一章 热力学第一定律德国科学家R.Cla

5、usius是第一位把热力学第一定律用数学形式表达出来的人。1850年，Clausius所发表论文中，以水蒸发为例，认为物体热量的增加量dQ等于物体中热量的变化dH、内功的变化dJ和外功变化dW的和，即：Clausius没有对U命名，次年Lord Kelvin称U为内能（internal energy）。1-2 热力学第一定律本讲稿第九页，共十七页第一章 热力学第一定律1-2 热力学第一定律热力学第一定律的数学表达形式：U=Q+W (1-1)若体系发生微小的变化，内能的变化dU=Q+W (1-2)物理意义：体系内能的增量等于体系吸收的热量减去体系对环境作的功。包括体系和环境在内的能量守恒。本讲稿

6、第十页，共十七页1-4 焓和比热容第一章 热力学第一定律设体系在变化过程中只作体积功，不作其它功对于准静态 Q=dU-W=dU+pdV （1-3）令H U+pV,H称为焓或热焓称为焓或热焓H=U+(PV)dH=dU+d(PV)对于恒压过程,dp=0Q=dHH=Qp (1-4)Q=dHH=Qp (1-4)对于恒容过程,dV=0QV=dUU=QV (1-4)本讲稿第十一页，共十七页第一章 热力学第一定律1-4 焓和比热容热容定义为当温度变化很小时恒容热容恒压热容*当温度由当温度由T1变化为变化为T2时：时：本讲稿第十二页，共十七页 1）焓是装态函数，当始末两平衡态确定后，是装态函数，当始末两平衡态

7、确定后，系系统的统的焓变也是确定的变也是确定的,与过程无关与过程无关.2）当系统分为几个部分时，当系统分为几个部分时，各部分的各部分的焓变之变之和等于系统的和等于系统的焓变变.1-5 焓变计算本讲稿第十三页，共十七页第一章 热力学第一定律1-5 焓变计算习题习题1以旋塞隔开而体积相等的两个玻璃球，分别贮有1molO2和1 mol N2，温度均为25，压力均为01.MPa。在绝热条件下，打开旋塞使两种气体混合。取两种气体为系统，试求混合过程的Q、W、U、H (设O2 和N2 均为理想气体)解绝热，Q=0系统的体积不变，W=0U=Q+W=0H=U+(PV)=CpT=0本讲稿第十四页，共十七页第一章

8、 热力学第一定律1-5 焓变计算习题习题2 已知液体Pb在1atm热容 Cp(l)=32.43 3.110-3T J/(molK)固体Pb的热容 Cp(s)=23.56+9.75 10-3T J/(molK)液体Pb熔点600K的凝固热为4811.60 J/mol求液体Pb过冷至590K凝固为固体H如下图所示，设计3个过程求HadHad=Hab+Hbc+Hcd590K590K液体液体PbPba590K590K固体固体PbPbd Had 600K600K固体固体PbPbcHmHcd600K600K液体液体PbPbb Hab本讲稿第十五页，共十七页第一章 热力学第一定律1-5 焓变计算Had=Ha

9、b+Hbc+HcdH bc=H m(600K)=-H 凝固凝固Had=Hab+Hbc+Hcd=305.85-4811.60-293.92=-4799600K600K液体液体PbPbb600K600K固体固体PbPbc590K590K液体液体PbPba590K590K固体固体PbPbdH Hm Hab本讲稿第十六页，共十七页习题习题3 已知Sn在在(熔点熔点)505K时的熔化热为时的熔化热为7070.96 J/mol,并有 Cp(l)=34.69 9.2010-3T J/(molK)Cp(s)=18.49+26.3610-3T J/(molK)计算 Sn在绝热器内过冷到在绝热器内过冷到495K时能自动凝固时能自动凝固的分数解解 设体系为1mol Sn；其中x mol凝固为固体，凝固为固体，(1-x)mol仍为液体仍为液体，此时505K两相共存按路径 a b c因体系绝热，H值恒定(Hac=0)H a(液,495K)b(液,505K)-x H m(505K)=0H m(505K)=7070.96 J/mol1mol1mol液体液体505K505Kb HabHmx molx mol固体固体（1-x1-x）mol液体液体505K505Kc1mol1mol液体液体 SnSn495K495Ka Hac 本讲稿第十七页，共十七页