1、 热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用 热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用一、热力学第一定律一、热力学第一定律准静态准静态:dQ=dE+pdV理想气体准理想气体准静态过程静态过程:VpTRiMQdd2d 1.数学形式数学形式:AEEQ)(12系统从外界吸热系统从外界吸热=内能增量内能增量+系统对外界做功系统对外界做功微小过程：微小过程：dQ=dE+dA2.物理意义：物理意义：涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律3.其它表述：其它表述：第一类永动机是不可能制成的第一类永动机是不可能制成的第一类永动机第一类永动机：系统不断经历状态变化后
2、回到初态，系统不断经历状态变化后回到初态，不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。000 AQE违反热力学第一定律违反热力学第一定律即：即：二、对理想气体的应用二、对理想气体的应用等值过程等值过程 等体过程等体过程 等压过程等压过程 等温过程等温过程0d V0d p0d T绝热过程绝热过程0d Q1）过程方程）过程方程2121TTpp 查理定律查理定律1.等体过程等体过程 （dV=0 V=c)2）热力学第一定律的具体形式）热力学第一定律的具体形式3）等体摩尔热容等体摩尔热容单原子分子气体单原子分子气体双原子分子（刚性）双原子分子（刚性）-1-1KmolJ51
3、223 .RCV1-1KmolJ82025 .RCV 0dVpATCMQV TRiME 2 TCMQEV 吸热全部用于增加内能吸热全部用于增加内能:TCMTRiMV 2RiCV2 由由得得适适用用于于一一切切过过程程TCMEV 注意注意:做功：做功：吸热：吸热：内能增量：内能增量：2.等压过程等压过程（dp=0 p=c)1)1)过程方程过程方程2121TTVV 盖盖吕萨克定律吕萨克定律2)2)热力学第一定律的具体形式热力学第一定律的具体形式TRMVVpVpAVV )(d1221TCMQp TCMEV EVpQ 做功：做功：吸热：吸热：内能增量：内能增量：3)等压摩尔热容等压摩尔热容得：得：由由
4、TRMTCMTCMVp RCCVp 迈耶公式迈耶公式RiRRiCp222 12 iiCCVp 泊松比泊松比单原子分子气体单原子分子气体1-1KmolJ82025 .RCp671.双原子刚性分子双原子刚性分子1-1KmolJ12927 .RCp401.讨论讨论:?CCVp 为为什什么么相同。相同。无论何种过程，无论何种过程，设系统由设系统由ETTTT )(1221EQAcV 10，若若12,0,0,QAEQAVcp 若若VpCC 3.等温过程等温过程 （dT=0 T=c)1）过程方程过程方程2211VpVp 玻意耳玻意耳 马略特定律马略特定律2）热力学第一定律的具体形式）热力学第一定律的具体形式
5、0 E12lndd2121VVRTMVVRTMVpAVVVV 21221211lnlnppVpVVVp AQ 吸热全部用于对外做功吸热全部用于对外做功内能增量：内能增量：做功：做功：吸热：吸热：3）摩尔热容摩尔热容12ln:VVRTMTCMAQT 由由 TCT04.绝热过程绝热过程特点：特点：dQ=0绝热材料绝热材料快速进行快速进行（如气体自由膨胀）（如气体自由膨胀）1）过程方程过程方程热力学第一定律热力学第一定律0ddd AEQ条件条件:准静态准静态:理想气体：理想气体：0dd VpTCMV RTMpV 消去消去d dT TRCCVp VpCC 恒量恒量 pV恒恒量量 Tp1恒恒量量 TV1
6、 TRMpVVpddd 2）绝热线绝热线绝热线绝热线:恒量恒量 pV1 比等温线陡比等温线陡A等温线等温线：pV=恒量恒量 双曲线双曲线过过 pV 图中某点图中某点(A)压压缩缩同同样样体体积积由由（),AAVp微观解释微观解释:nkTp 等温等温 pnV绝热绝热 pnV pTV0d Q0d0d TQpp0Qpd0Tpd3)热力学第一定律的具体形式热力学第一定律的具体形式TCMEQV 0)(212TTRiMTCMEAV 1)(222112211 VpVpVpVpi4)摩尔热容摩尔热容0 TCMQ 0 绝热绝热CVVVpCRCCC i21?吸热：吸热：内能增量：内能增量：做功：做功：pVo00d
7、 np等等压压过过程程：0 n5.5.*多方过程多方过程 (一般情况一般情况)常量常量 npV 0：为多方指数，取值范围为多方指数，取值范围其中其中VnpnCCCCn nV0d:等等体体过过程程 n10d nT等等温温过过程程：1 n nQ0绝绝热热过过程程：n0d V0d p0d T0d QCTp CTV CpV 1CpV 21CTV 31CTp EQV VpEQp AQT EA 过过程程特特点点过程方程过程方程热热一一律律过过程程等体等体等压等压等温等温绝热绝热内内能能增增量量TCMEV TCMEV TCMEV 00Vp 12lnVVRTM 21ppRTMln 或或TCMV 12211 V
8、pVp或或12lnVVRTM 21ppRTMln 或或0TCMV TCMp A功功Q热热量量过过程程等等体体等等压压等温等温绝热绝热摩摩尔尔热热容容单单双双多多RiCV2 RiCp22 TC0aC泊泊松松比比ii2R23R25R3R25R27R4355734小结：小结：2.求求法法QAE,ETCMV AQ A：准静态过程准静态过程 21dVVVpAEQA 非静态过程非静态过程Q：等体等体TCMQV TCMQp 绝热绝热 Q=0等温等温（准静态）（准静态）12lnVVpVAQ 等压等压AEQ 或或练习练习 1 理想气体自由膨胀，去掉隔板实现平衡后压强理想气体自由膨胀，去掉隔板实现平衡后压强 p=
9、?由绝热方程由绝热方程 2)2(00pppVVp 解一解一:解二解二:00 AQ自自由由膨膨胀胀绝绝热热过过程程1200TTTE 2022211ppVpVp 哪一个解对？为什么哪一个解对？为什么?*绝热方程对绝热方程对非静态过程非静态过程不适用不适用 一定量的理想气体，在一定量的理想气体，在 pT 图上沿着一条直线从平图上沿着一条直线从平衡态衡态 a 变化到变化到 b 则这是则这是 一个：（一个：（）(A)绝热膨绝热膨 胀（胀（B）等容吸热）等容吸热 (C)吸热压缩吸热压缩（D）吸热膨）吸热膨 胀胀练习练习 2解：解：由气体状态方程可得由气体状态方程可得2211RTVpRTVpMbMa E,T
10、TTpTppTpTVVab12221121121答案答案:（D）abp2p1T1T2Tp0练习练习 3理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？（1 1）等体加热，内能减少，压强升高）等体加热，内能减少，压强升高（2 2）等温压缩，压强升高，同时吸热）等温压缩，压强升高，同时吸热（3 3）等压压缩，内能增加，同时吸热）等压压缩，内能增加，同时吸热（4 4）绝热压缩，压强升高，内能增加）绝热压缩，压强升高，内能增加答案：答案：不可能发生的有：（不可能发生的有：（1），（），（2），（），（3）热力学基本概念热力学基本概念 热力学基本概念热力学基本概念热力学系
11、统热力学系统 外界外界大量粒子组成的宏观、有限的体系；大量粒子组成的宏观、有限的体系；其相邻环境称为其相邻环境称为外界。外界。开放系统开放系统 封闭系统封闭系统孤立系统孤立系统与外界有与外界有 m、E 交换交换与外界有与外界有 E 交换，无交换，无 m 交换交换与外界无与外界无 E、m 交换交换绝绝热热例例开放系统开放系统 封闭系统封闭系统孤立系统孤立系统热力学：热力学：即热力学系统的状态即热力学系统的状态（宏观物理性质）（宏观物理性质）及状态变化及状态变化（宏观物理过程）的规律（宏观物理过程）的规律。一个孤立系统若不受外界影响（无物质和能量交换），则系统的宏观特性（如温度、压强等）长时间不随
12、时间改变的状态称为平衡态。处于平衡态中的气体，其分子仍不停作热运动，但其总体平均效处于平衡态中的气体，其分子仍不停作热运动，但其总体平均效果不随时间改变，是一种果不随时间改变，是一种动态平衡动态平衡。平衡态、状态参量平衡态、状态参量 描述平衡态的参量称为描述平衡态的参量称为状态参量状态参量，如体积、压强、温度等。，如体积、压强、温度等。气体处于平衡态的标志是状态参量气体处于平衡态的标志是状态参量 P、V、T 各具有确定的量值，各具有确定的量值，且且不随时间变化。不随时间变化。系统状态变化系统状态变化热力学过程热力学过程非静态过程非静态过程:中间状态不是平衡态中间状态不是平衡态准静态过程准静态过
13、程:（平衡过程）（平衡过程）过程进行得足够缓慢过程进行得足够缓慢中间状态中间状态 平衡态平衡态气体等温膨胀气体等温膨胀例：例：气体自由膨胀气体自由膨胀T相平面相平面 相图相图以状态参量为坐标变量以状态参量为坐标变量平衡态平衡态 对应相图中的点对应相图中的点平衡过程平衡过程 对应相图中的线对应相图中的线(准静态过程准静态过程)例：例：等温、等压、等体过程的相图等温、等压、等体过程的相图V 热力学第零定律热力学第零定律 温度温度（1）引入温度参量的实验依据）引入温度参量的实验依据热力学第零定律热力学第零定律如果物体如果物体A、B分别各自分别各自与与处在同处在同一状态的物体一状态的物体C达到热平衡达
14、到热平衡，那，那么，么，A与与B也处于也处于热平衡。热平衡。CABAB达到热平衡的物体温度相同达到热平衡的物体温度相同热力学第零定律热力学第零定律 热力学第零定律热力学第零定律 温度温度（2）温标）温标温度的数值表示法温度的数值表示法摄氏温标摄氏温标华氏温标华氏温标热力学温标热力学温标理想气体温标理想气体温标温标的分类温标的分类：规定水在规定水在 1 个大气压下的冰点为个大气压下的冰点为 0 度，沸点为度，沸点为 100度，中间的温度以水银的体积膨胀为准，单位度，中间的温度以水银的体积膨胀为准，单位10018032)F()C(tt在理想气体存在的范围内，它和热力学温标一致在理想气体存在的范围内
15、，它和热力学温标一致16.273 tTC1K1O 规定水在规定水在 1 个大气压下的冰点为个大气压下的冰点为 273.16 K内能内能 功功 热量热量热力学主要研究系热力学主要研究系统能量的转换规律统能量的转换规律一、系统内能一、系统内能 E广义：广义：系统内所有粒子各种能量总和系统内所有粒子各种能量总和（平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能（平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能.）不包括系统整体机械能不包括系统整体机械能狭义：狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能所有分子热运动能量和分子间相互作用势能例：例：实际气体实际气体),(VTEE 理想气体理想气体)(2TERTiM
16、E 内能内能 功功 热量热量1.内能内能 E 是状态函数是状态函数内能变化内能变化E只与初末状态有关，与所经过的过程无只与初末状态有关，与所经过的过程无关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。二、功和热量二、功和热量 21dVVVpA注意：注意：非静态过程不适用非静态过程不适用VplpSlFAdddd 1.准静态过程的体积功准静态过程的体积功做功做功热传递热传递2.内能变化方式内能变化方式示功图：示功图：p-V 图上过程曲线下的面积图上过程曲线下的面积 21dVVVpAAd系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功循环过程的功循环过程的功思考：思考：?AVV02112 的的任任何何过过程程则则由由是是否否0d0d AV若若0d0d AV0d0d AV注意：注意：功是过程量功是过程量过程不同，曲线下面积不同过程不同，曲线下面积不同（可正、可负、可零）（可正、可负、可零）2.热量和热容量热量和热容量中学中学TcMTTcMQ )(12比热比热热热 容容 量量:TCQcMC 摩尔热容量摩尔热容量:TCMQcC 0d)dd(VVT