第15講 熱力學第一定律

1、大學物理電子教案大學物理電子教案第第15講講 熱力學第一定律熱力學第一定律7.1 氣體物態(tài)參量氣體物態(tài)參量 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣理想氣體物態(tài)方程體物態(tài)方程7.2 準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程 功功 熱量熱量7.3 內能內能 熱力學第一定律熱力學第一定律7.4 理想氣體的等體過程和等壓過理想氣體的等體過程和等壓過程程 摩爾熱容摩爾熱容塔里木大學教學課件塔里木大學教學課件第第7 7章章熱力學基礎熱力學基礎熱力學是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論熱力學是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論根據(jù)實驗總結出來的熱根據(jù)實驗總結出來的熱力學定律，用嚴密的邏輯推理的方法，研究宏觀物體的熱力力學定律，用嚴密的邏輯推理的方法，研究宏觀物體的熱力學性

2、質。學性質。熱力學不涉及物質的微觀結構，它的主要理論基礎是熱力學熱力學不涉及物質的微觀結構，它的主要理論基礎是熱力學的三條定律。的三條定律。本章的內容是熱力學第一定律和熱力學第二定律。本章的內容是熱力學第一定律和熱力學第二定律。7.1 氣體物態(tài)參量氣體物態(tài)參量 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體物態(tài)方程理想氣體物態(tài)方程一、氣體物態(tài)參量一、氣體物態(tài)參量1、系統(tǒng)與外界、系統(tǒng)與外界熱力學系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）熱力學系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）在熱力學中，把所要研究的對象，即由大量微觀粒子在熱力學中，把所要研究的對象，即由大量微觀粒子組成的物體或物體系稱為組成的物體或物體系稱為熱力學系統(tǒng)熱力學系統(tǒng)。系統(tǒng)的外界（簡稱外界）系統(tǒng)的外界

3、（簡稱外界）能夠與所研究的熱力學系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其它物體，能夠與所研究的熱力學系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其它物體，稱為稱為外界外界。2、氣體的物態(tài)參量、氣體的物態(tài)參量把用來描述系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的物理量稱為把用來描述系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參量狀態(tài)參量。氣體的宏觀狀態(tài)可以用氣體的宏觀狀態(tài)可以用V、P、T 描述描述體積體積V 幾何參量幾何參量壓強壓強p力學參量力學參量溫度溫度T熱力學參量熱力學參量3、說明、說明(1)氣體的氣體的p、V、T 是描述大量分子熱運動集體特征的物理量，是描述大量分子熱運動集體特征的物理量，是是宏觀量宏觀量，而氣體分子的質量、速度等是描述個別分子運動的，而氣體分子的質量、速度等是

4、描述個別分子運動的物理量，是物理量，是微觀量微觀量。(2) 根據(jù)系統(tǒng)的性質，可能還需要引入根據(jù)系統(tǒng)的性質，可能還需要引入化學參量化學參量、電磁參量電磁參量等。等。二、二、p 、V、T 的單位的單位1、氣體的體積、氣體的體積V氣體的體積氣體的體積V是指氣體分子無規(guī)則熱運動所能到達的空間。是指氣體分子無規(guī)則熱運動所能到達的空間。對于密閉容器中的氣體，容器的體積就是氣體的體積。對于密閉容器中的氣體，容器的體積就是氣體的體積。單位：單位：m32、壓強、壓強p壓強壓強P是大量分子與容器壁相碰撞而產(chǎn)生的，它等于容器是大量分子與容器壁相碰撞而產(chǎn)生的，它等于容器壁上單位面積所受到的正壓力。壁上單位面積所受到的

5、正壓力。 p=F/S單位：單位： 1Pa=1N.m-2標準大氣壓標準大氣壓 1atm=76cm.Hg=1.013105Pa3、溫度、溫度T溫度的高低反映分子熱運動激溫度的高低反映分子熱運動激烈程度。烈程度。 (1)熱力學溫標熱力學溫標T，單位：，單位：K(2)攝氏溫標攝氏溫標t ，單位：，單位：0C00C水的三相點溫度水的三相點溫度1000C水的沸騰點溫度水的沸騰點溫度(3)華氏溫標華氏溫標F， 單位單位0F320F 水的三相點溫度水的三相點溫度2120F水的沸騰點溫度水的沸騰點溫度關系：關系： T=273.15+tF=9t/5+32三、平衡態(tài)三、平衡態(tài)一個系統(tǒng)與外界之間沒有能量和物質的傳遞，

6、系統(tǒng)的能量也一個系統(tǒng)與外界之間沒有能量和物質的傳遞，系統(tǒng)的能量也沒有轉化為其它形式的能量，系統(tǒng)的組成及其質量均不隨時沒有轉化為其它形式的能量，系統(tǒng)的組成及其質量均不隨時間而變化，這樣的狀態(tài)叫做間而變化，這樣的狀態(tài)叫做熱力學平衡態(tài)熱力學平衡態(tài)。1、定義、定義2、說明、說明（1）平衡態(tài)是一個理想狀態(tài)；）平衡態(tài)是一個理想狀態(tài)；（2）平衡態(tài)是一種動態(tài)平衡；）平衡態(tài)是一種動態(tài)平衡；（3）對于平衡態(tài)，可以用）對于平衡態(tài)，可以用pV 圖圖上的一個點來表示。上的一個點來表示。 pV如果兩個系統(tǒng)分別與處于確定如果兩個系統(tǒng)分別與處于確定狀態(tài)的第三個系統(tǒng)達到熱平衡，狀態(tài)的第三個系統(tǒng)達到熱平衡，則這兩個系統(tǒng)彼此也將處

7、于熱則這兩個系統(tǒng)彼此也將處于熱平衡。平衡。3、熱力學第零定律或熱平衡定律、熱力學第零定律或熱平衡定律熱力學第零定律表明，處在同熱力學第零定律表明，處在同一平衡態(tài)的所有熱力學系統(tǒng)都一平衡態(tài)的所有熱力學系統(tǒng)都有一個共同的宏觀性質，這個有一個共同的宏觀性質，這個決定系統(tǒng)熱平衡的宏觀性質的決定系統(tǒng)熱平衡的宏觀性質的物理量可以定義為物理量可以定義為溫度溫度。四、理想氣體的物態(tài)方程四、理想氣體的物態(tài)方程1、物態(tài)方程、物態(tài)方程在在p、V、T 三個狀態(tài)參量之間一定存在某種關系，即其中一三個狀態(tài)參量之間一定存在某種關系，即其中一個狀態(tài)參量是其它兩個狀態(tài)參量的函數(shù)，如個狀態(tài)參量是其它兩個狀態(tài)參量的函數(shù)，如 T=T

8、(P,V) 一定量氣體處于平衡態(tài)時的物態(tài)方程一定量氣體處于平衡態(tài)時的物態(tài)方程2、理想氣體的定義、理想氣體的定義在溫度不太低在溫度不太低(與室溫相比與室溫相比)和壓強不太大和壓強不太大(與大氣壓相比與大氣壓相比)時，有時，有三條實驗定律三條實驗定律Boyle-Mariotte定律定律 等溫過程中等溫過程中 pV=const Gay-Lussac定律定律 等體過程中等體過程中 p/T=const Charles定律定律 等壓過程中等壓過程中 V/T=const Avogadro定律：定律：在同樣的溫度和壓強下，相同體積的氣體含在同樣的溫度和壓強下，相同體積的氣體含有相同數(shù)量的分子。在標準狀態(tài)下，有

9、相同數(shù)量的分子。在標準狀態(tài)下，1摩爾任何氣體所占有的摩爾任何氣體所占有的體積為體積為22.4升。升。理想氣體的定義：理想氣體的定義：在任何情況下都遵守上述三個實驗定律在任何情況下都遵守上述三個實驗定律和和Avogadro定律的氣體稱為定律的氣體稱為理想氣體理想氣體。3、理想氣體的物態(tài)方程、理想氣體的物態(tài)方程形式形式1RTMmpV m氣體質量氣體質量M 氣體摩爾質量氣體摩爾質量R=8.31Jmol-1K-1摩爾氣體常量摩爾氣體常量形式形式2222111TVpTVp7.2 準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程 功功 熱量熱量一、準靜態(tài)過程一、準靜態(tài)過程1、熱力學過程、熱力學過程當系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間變化時，當系統(tǒng)的狀

10、態(tài)隨時間變化時，我們就說系統(tǒng)在經(jīng)歷一個我們就說系統(tǒng)在經(jīng)歷一個熱力熱力學過程學過程，簡稱，簡稱過程過程。推進活塞壓縮汽缸內推進活塞壓縮汽缸內的氣體時，氣體的體的氣體時，氣體的體積、密度、溫度或壓積、密度、溫度或壓強都將變化強都將變化2、非靜態(tài)過程、非靜態(tài)過程在熱力學過程的發(fā)生時，在熱力學過程的發(fā)生時，系統(tǒng)往往由一個平衡狀系統(tǒng)往往由一個平衡狀態(tài)經(jīng)過一系列狀態(tài)變化態(tài)經(jīng)過一系列狀態(tài)變化后到達另一平衡態(tài)。如后到達另一平衡態(tài)。如果中間狀態(tài)為非平衡態(tài)，果中間狀態(tài)為非平衡態(tài)，則此過程稱則此過程稱非靜態(tài)過非靜態(tài)過程程。為從平衡態(tài)破壞到新平為從平衡態(tài)破壞到新平衡態(tài)建立所需的時間稱衡態(tài)建立所需的時間稱為為弛豫時間弛

11、豫時間。3、準靜態(tài)過程、準靜態(tài)過程如果一個熱力學系統(tǒng)過程在始末兩平衡態(tài)之間所經(jīng)歷的之如果一個熱力學系統(tǒng)過程在始末兩平衡態(tài)之間所經(jīng)歷的之中間狀態(tài)，可以近似當作平衡態(tài)，則此過程為中間狀態(tài)，可以近似當作平衡態(tài)，則此過程為準靜態(tài)過準靜態(tài)過程程。準靜態(tài)過程只有在進行的準靜態(tài)過程只有在進行的“無限緩慢無限緩慢”的條件下才可的條件下才可能實現(xiàn)。能實現(xiàn)。對于實際過程則要求系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的特征時間遠對于實際過程則要求系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的特征時間遠遠大于弛豫時間才可近似看作準靜態(tài)過程。遠大于弛豫時間才可近似看作準靜態(tài)過程。說明：說明：系統(tǒng)的準靜態(tài)變化過程系統(tǒng)的準靜態(tài)變化過程可用可用pV pV 圖上的一條曲線圖上的

12、一條曲線表示，稱之為表示，稱之為過程曲線過程曲線。二、二、 功功當氣體作無摩擦的準靜態(tài)膨脹或壓縮時，當氣體作無摩擦的準靜態(tài)膨脹或壓縮時，為了維持氣體的平衡態(tài)，外界的壓強必然為了維持氣體的平衡態(tài)，外界的壓強必然等于氣體的壓強。等于氣體的壓強。pdVpSdlFdldW 21VVpdVW系統(tǒng)對外界所作的系統(tǒng)對外界所作的功等于功等于pVpV 圖上過圖上過程曲線下面的面積程曲線下面的面積說明說明系統(tǒng)所作的功與系統(tǒng)的始末狀態(tài)有關，系統(tǒng)所作的功與系統(tǒng)的始末狀態(tài)有關，而且還與路徑有關，是一個過程量。而且還與路徑有關，是一個過程量。氣體膨脹時，系統(tǒng)對外界作功氣體膨脹時，系統(tǒng)對外界作功 氣體壓縮時，外界對系統(tǒng)作功

13、氣體壓縮時，外界對系統(tǒng)作功作功是改變系統(tǒng)內能的一種方法作功是改變系統(tǒng)內能的一種方法本質：通過宏觀位移來完成的：機械運動本質：通過宏觀位移來完成的：機械運動分子熱運動分子熱運動VOPdVV1V2三、三、 熱量熱量1、例子、例子外界向系統(tǒng)傳遞熱量，系統(tǒng)內能增大：加熱水外界向系統(tǒng)傳遞熱量，系統(tǒng)內能增大：加熱水系統(tǒng)向外界傳遞熱量，系統(tǒng)內能減小。系統(tǒng)向外界傳遞熱量，系統(tǒng)內能減小。2、定義、定義系統(tǒng)與外界之間由于存在系統(tǒng)與外界之間由于存在溫度差溫度差而傳遞的能量叫做而傳遞的能量叫做熱量熱量。3、本質、本質外界與系統(tǒng)相互交換熱量。分子熱運動外界與系統(tǒng)相互交換熱量。分子熱運動分子熱運動分子熱運動說明說明熱量傳

14、遞的多少與其傳遞的方式有關熱量傳遞的多少與其傳遞的方式有關熱量的單位：熱量的單位：焦耳焦耳7.3 內能內能 熱力學第一定律熱力學第一定律一、內能一、內能熱力學系統(tǒng)的能量取決于系統(tǒng)的狀熱力學系統(tǒng)的能量取決于系統(tǒng)的狀態(tài)態(tài)內能內能。說明說明1、理想氣體的內能僅是溫度的、理想氣體的內能僅是溫度的函數(shù)函數(shù)2、熱力學系統(tǒng)內能的變化是通、熱力學系統(tǒng)內能的變化是通過系統(tǒng)與外界交換熱量或外界對過系統(tǒng)與外界交換熱量或外界對系統(tǒng)作功來實現(xiàn)的系統(tǒng)作功來實現(xiàn)的3、系統(tǒng)內能的增量只與系統(tǒng)起、系統(tǒng)內能的增量只與系統(tǒng)起始與終了位置有關，而與系統(tǒng)所始與終了位置有關，而與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程無關經(jīng)歷的過程無關二、熱力學第一定律二、熱

15、力學第一定律1、內容、內容系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分使系統(tǒng)的內能增加，另系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分使系統(tǒng)的內能增加，另一部分使系統(tǒng)對外界作功一部分使系統(tǒng)對外界作功2、本質、本質熱力學第一定律是包括熱力學第一定律是包括熱現(xiàn)象在內的能量守恒定律熱現(xiàn)象在內的能量守恒定律，對，對任何物質的任何過程都成立。任何物質的任何過程都成立。WEEWEQ )(12對于微小過程對于微小過程dWdEdQ 3、說明、說明符號規(guī)定：符號規(guī)定：熱量熱量Q： 正號正號系統(tǒng)從外界吸收熱量系統(tǒng)從外界吸收熱量負號負號系統(tǒng)向外界放出熱量系統(tǒng)向外界放出熱量功功 W： 正號正號系統(tǒng)對外界作功系統(tǒng)對外界作功負號負號外界對系統(tǒng)作功外界對

16、系統(tǒng)作功內能內能E：正號：正號系統(tǒng)能量增加系統(tǒng)能量增加負號負號系統(tǒng)能量減小系統(tǒng)能量減小計算中，各物理量的單位是相同的，在計算中，各物理量的單位是相同的，在SI制中為制中為J三、熱力學第一定律的另一種表述三、熱力學第一定律的另一種表述1、第一類永動機、第一類永動機不需要外界提供能量，也不需要消耗系統(tǒng)不需要外界提供能量，也不需要消耗系統(tǒng)的內能，但可以對外界作功。的內能，但可以對外界作功。2、熱力學第一定律的另一種表述、熱力學第一定律的另一種表述第一類永動機是不可能造成的第一類永動機是不可能造成的。第一類永動機第一類永動機違反了能量守違反了能量守恒定律，因而恒定律，因而是不可能實現(xiàn)是不可能實現(xiàn)的的W

17、EEWEQ )(127.4 理想氣體的等體過程和等壓過程理想氣體的等體過程和等壓過程 摩爾熱容摩爾熱容一、等體過程一、等體過程 定體摩爾熱容定體摩爾熱容1、等體過程、等體過程特點：特點：理想氣體的體積保持不變，理想氣體的體積保持不變，V=const過程曲線：過程曲線：在在PV圖上是一條平行于圖上是一條平行于p 軸的直線，軸的直線，叫叫等體線等體線。2211TpTp 內能、功和熱量的變化內能、功和熱量的變化 0 , 0pdVWdV12EEQV 特征：特征：系統(tǒng)對外界不作功，系系統(tǒng)對外界不作功，系統(tǒng)吸收的熱量全部用來統(tǒng)吸收的熱量全部用來增加系統(tǒng)的內能。增加系統(tǒng)的內能。過程方程：過程方程：2、定體摩

18、爾熱容、定體摩爾熱容定義定義1mol理想氣體在等體過程中，溫度升高理想氣體在等體過程中，溫度升高1K時所時所吸收的熱量，稱為該物質的吸收的熱量，稱為該物質的定體摩爾熱容定體摩爾熱容。dTdQCVmV ,等體過程的熱量公式等體過程的熱量公式)(12,TTCMmQmVV 0 012 VQTT系統(tǒng)吸收熱量系統(tǒng)吸收熱量0 012 VQTT系統(tǒng)放出熱量系統(tǒng)放出熱量氣體內能的增量氣體內能的增量 12,12TTCMmEEEmV 二、等壓過程二、等壓過程 定壓摩爾熱容定壓摩爾熱容1、等壓過程、等壓過程特點：特點：理想氣體的壓強保持不變，理想氣體的壓強保持不變，p=const過程曲線：過程曲線：在在PV 圖上是

19、一條平行于圖上是一條平行于V 軸的直線，軸的直線，叫叫等壓線等壓線。2211TVTV 內能、功和熱量的變化內能、功和熱量的變化)(1212VVpEEQp 特征：特征：系統(tǒng)吸收的熱量一部分系統(tǒng)吸收的熱量一部分用來增加系統(tǒng)的內能，用來增加系統(tǒng)的內能，另一部分使系統(tǒng)對外界另一部分使系統(tǒng)對外界作功。作功。)(1221VVppdVWVV 過程方程：過程方程：2、定壓摩爾熱容、定壓摩爾熱容定義定義1mol理想氣體在等壓過程中，溫度升高理想氣體在等壓過程中，溫度升高1K時時所吸收的熱量，稱為該物質的所吸收的熱量，稱為該物質的定壓摩爾熱容定壓摩爾熱容。dTdQCpmp ,等壓過程的熱量公式等壓過程的熱量公式)

20、(12,TTCMmQmpp 0 012 pQTT系統(tǒng)吸收熱量系統(tǒng)吸收熱量0 012 pQTT系統(tǒng)放出熱量系統(tǒng)放出熱量氣體內能的增量氣體內能的增量 12,12TTCMmEEEmV 3、關于摩爾熱容的討論、關于摩爾熱容的討論VPTCMmWETCMmQmVmpp ,RCCmVmP,Mayer公式公式推導推導TRmMVPRTmMPV RCCmVmp ,理想氣體的定壓摩爾熱容比定體摩爾熱容大一個恒量理想氣體的定壓摩爾熱容比定體摩爾熱容大一個恒量R在等體過程中，氣體吸收的熱量全部用來增加系統(tǒng)的內能在等體過程中，氣體吸收的熱量全部用來增加系統(tǒng)的內能等壓過程中，氣體吸收的熱量，一部分用來增加系統(tǒng)的內能，等壓過程中，氣體吸收的熱量，一部分用來增加系統(tǒng)的內能，還有一部分用于氣體膨脹時對外界