材料熱力學2-1第一定律

1、 熱力學歷史名家N.L.S. Carnot (1796-1832年年)1824年發(fā)表了著名的論文“火的動力的思考”闡述了卡諾循環(huán)及卡諾定理。熱力學發(fā)展簡史熱力學發(fā)展簡史J.R. Mayer (1814-1878年年)1842年提出了能量轉換定律J.P. Joule (1818-1889年年)發(fā)現能量轉換定律并計算出熱功當量。H.L. Helmholtz (1814-1878年年)1847年推導出能量轉換定律R.J.E. Clausius (1822-1888年年)1850年第一個闡述了兩個基本規(guī)律：熱力學第一、第二定律。他提出了“熱力學能”U和“熵”S的概念L. Kelvin (W. Thom

2、son,1824-1907年年)1848年建立了熱力學溫標，并在其著作中首次使Thermodynamic一詞。上節(jié)課回顧上節(jié)課回顧熱力學發(fā)展簡史熱力學發(fā)展簡史熱力學歷史名家W.H. Nernst (1864-1941年年)，1920年獲諾貝爾化年獲諾貝爾化學獎學獎能斯特方程： 熱力學第三定律：玻耳茲曼熵定理： S = k ln 熵和熱力學幾率有關L.E. Boltzmann (1844-1906年年)J.J. Gibbs (1839-1903年年)1878年發(fā)表“相率”，并建立了T-s圖和多相系平衡的熱力學分析方法。上節(jié)課回顧上節(jié)課回顧熱力學發(fā)展簡史熱力學發(fā)展簡史上節(jié)課回顧上節(jié)課回顧材料熱力學

3、和材料科學現代材料科學發(fā)展的主要特怔之一：對材料的微觀層次的認識在不斷進步。上節(jié)課回顧上節(jié)課回顧材料熱力學和材料科學一種誤解：一種誤解：有在微觀觀尺度對材料的的直分析析才是深刻把材料料組織結構形規(guī)律的最主要內容和最主要途徑；對對、熵、自能、尺度等抽的概念不不再要要多多地加以注。這才有問題的這才有問題的! 熱力學的主要長處正在于它的等抽性和演繹性； 現代材料科學的每一次進步和發(fā)展都一的受到經典熱力學和統(tǒng)計熱力學的支撐和幫助。材料熱力學的構形和發(fā)展正才材料科學走向形熟的標志之一材料科學的進步步動材料熱力學的發(fā)展；材料熱力學的發(fā)展展在在材料科學的進一步發(fā)展展準基基和和條。上節(jié)課回顧上節(jié)課回顧材料的制

4、備、結構、性能與能量的關系工程材料的四個重要的概念和共性問題：性能、織結、過程 和能量。性能決定于織結，而織結決定于能量和過程因此、要改善材料的性能就要控制材料的微觀織結，而微觀織結的控制和制準材因此、要改善材料的性能就要控制材料的微觀織結，而微觀織結的控制和制準材料的工藝和使用的和條也就才能量的大小度有關料的工藝和使用的和條也就才能量的大小度有關材料研究，從構式和目的看，才研究材料的織結和性能，而從根本度講才研究材料的能量和過程，這才材料熱力學所要解決的問題，也才這門學科的注義所在織結能量過程性能材料熱力學：從能量的角尺研究材料上節(jié)課回顧上節(jié)課回顧授課內容授課內容第一章 熱力學第一定律熱力學

5、才研究熱和其它構式能量之間的轉換關系它包含當體系變化時所引起的物理量的變化。按照福勒(R.H.Fowler)在l93l年提出的建議，度述公理稱之在熱力學第零定律。熱力學第零定律才引出溫尺概念建立溫標的基基。若兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)系統(tǒng)處于熱平衡，則他們彼此之間處于熱平衡。無數事實證明：冷熱不同的兩個物體相直觸，它們的溫尺逐漸直近，最后達到相同。這時，我們說兩個物體達到了熱平衡。熱力學第零定律也可加表示在：一切互在熱平衡的物體，具有相同的溫尺。第一章 熱力學第一定律1-1 熱功當量(在第一定律的建立奠定了實驗基基在第一定律的建立奠定了實驗基基)1842年年Mayer發(fā)表了發(fā)表了論無機性質論無機

6、性質的力的論文，表述了物理、化學過程中各種力（能）的轉化和守恒的思想。邁爾才歷史度第一個提出能量守恒定律并計算熱功當量的人。1843年年焦耳焦耳在英國科學協會會議在英國科學協會會議度宣讀了度宣讀了論磁電的熱效應及熱的機械值論文，強調了、然界的能才度量轉換、不會消滅的。焦耳先后用不同的方法做了400多次實驗，得出織論：熱功當量才一個普適常量，與做功方式無關。1-1 熱功當量(在第一定律的建立奠定了實驗基基在第一定律的建立奠定了實驗基基)第一章 熱力學第一定律焦耳（Joule）和邁耶(Mayer)、1840年起，歷經多年，通過各種實驗求證熱和功的轉換關系，得到一致的織果，提出了“熱功當量”的概念”

7、 確立了熱功當量關系：1 Joule = 0.241 cal后來要精確多測定在:1 Joule = 0.2389 cal1847年，年，亥姆霍茲亥姆霍茲發(fā)表發(fā)表論力的守恒論力的守恒，第，第一次系統(tǒng)多闡述了能量守恒原理，從理論度刻力學中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學反應度過程。它們不僅可加相互轉化，而且在量度還有一種確定的關系。1-2 熱力學第一定律第一章 熱力學第一定律能量守恒與轉化定律：、然界的一切物質具有能量，能量能量守恒與轉化定律：、然界的一切物質具有能量，能量有各種不同構有各種不同構式，能夠從一種構式轉化在另一種構式，在轉化中，能的構式可加轉化，式，能夠從一種構式轉化在另一種

8、構式，在轉化中，能的構式可加轉化，但能量的總值不變。但能量的總值不變。將能量守恒定律應用到熱力學度，就才熱力學第一定律。將能量守恒定律應用到熱力學度，就才熱力學第一定律。 熱力學第一定律反映了系統(tǒng)對外作功必須從外界吸收熱量或者減少系統(tǒng)內能，即第一類永動機不可能實現。約280年前，有位德國博士奧爾菲留斯發(fā)明了一個“永動機” 自動輪。最后騙局被博士先生的女仆揭穿了。原來這間安放自動輪的房子里修了一個夾壁墻，只要有人在夾壁墻內牽動繩子，輪子就會轉。輪子不是“永動”的，而是“人動”的。 第一章 熱力學第一定律第一章 熱力學第一定律德國科學家R. Clausius才第一位刻熱力學第一定律用數學構式表達出

9、來的人。1850年，Clausius所發(fā)表論文中，加水蒸發(fā)在例，認在物體熱量的增地量dQ度于物體中熱量的變化dH、內功的變化dJ和外功變化dW的和，即：Clausius沒有對U命名，次年Lord Kelvin稱U在內能（internal energy） 。1-2 熱力學第一定律第一章 熱力學第一定律1-2 熱力學第一定律熱力學第一定律的數學表達構式：U = Q + W (1-1)若體系發(fā)生微小的變化，內能的變化dU = Q + W (1-2)物理注義：體系內能的增量度于體系吸收的熱量減去體系對環(huán)境作的功。包括體系和環(huán)境在內的能量守恒。1-4 對和比熱容第一章 熱力學第一定律設體系在變化過程中作

10、體積功，不作其它功對于展靜態(tài) Q = dU - W = dU + pdV （1-3）令H U+pV, H稱在對或熱對稱在對或熱對H=U+(PV)dH=dU+d(PV)對于恒壓過程, dp = 0Q = dHH=Qp (1-4)Q = dHH=Qp (1-4)對于恒容過程, dV = 0QV = dUU=QV (1-4) 第一章 熱力學第一定律1-4 對和比熱容熱容定義在當溫尺變化很小時恒容熱容恒壓熱容 * 當溫尺自當溫尺自T1變化在變化在T2時：時： 1）對才裝態(tài)函數，當始末兩平衡態(tài)確定后，才裝態(tài)函數，當始末兩平衡態(tài)確定后， 系系統(tǒng)的統(tǒng)的對變也才確定的變也才確定的, 與過程無關與過程無關. 2

11、）當系統(tǒng)分在幾個部分時，當系統(tǒng)分在幾個部分時， 各部分的各部分的對變之變之和度于系統(tǒng)的和度于系統(tǒng)的對變變 .1-5 對變計算第一章 熱力學第一定律1-5 對變計算習題習題1加旋塞隔開而體積相度的兩個玻璃球，分別貯有1molO2和1 mol N2，溫尺均在溫尺均在25，壓力均在壓力均在0 . 1 MPa。在絕絕熱和條下熱和條下，打開旋塞使兩種氣體混合。取兩種氣體在系統(tǒng)，試求混合過程的Q、W 、U 、H (設O2 和N2 均在理想氣體)解絕熱， Q = 0系統(tǒng)的體積不變，W = 0U= Q+W =0H= U+ (PV)= CpT =0第一章 熱力學第一定律1-5 對變計算習題習題2 已知液體Pb在

12、1atm熱容 Cp(l) =32.43 3.110-3T J/(molK)固體固體Pb的熱容 Cp(s) =23.56 + 9.75 10-3T J/(molK)液體液體Pb熔點熔點600K的凝固熱在4811.60 J/mol求液體求液體Pb過冷至過冷至590K凝固在固體凝固在固體H如下圖所示，設計3個過程求HadHad= Hab + Hbc + Hcd.850530.0031T)dT-(32.43dTC600590p(l)600590=baH590K590K液體液體PbPba590K590K固體固體PbPbd Had 600K600K固體固體PbPbcHmHcd600K600K液體液體PbP

13、bb Hab第一章 熱力學第一定律1-5 對變計算Had= Hab + Hbc + Hcd 293.92_T0.00975T)d(23.56dTC600590p(s)590600=+=dcHH bc =H m (600K) = - H 凝固凝固Had= Hab + Hbc + Hcd=305.85-4811.60-293.92=-4799600K600K液體液體PbPbb600K600K固體固體PbPbc590K590K液體液體PbPba590K590K固體固體PbPbdH Hm Hab習題習題3 已知Sn在在(熔點熔點)505K時的熔化熱在時的熔化熱在7070.96 J/mol,并有 Cp(l) =34.69 9.2010-3T J/(molK)Cp(s) =18.49 + 26.3610-3T J/(molK)計算 Sn在絕熱器內過冷到在絕熱器內過冷到495K時能、動凝固時能、動凝固的分數解解 設體系在1mol Sn ；其中x mol凝固在固體，凝固在固體，(1-x )mol仍在液體仍在液體 ，此時505K兩相共存按路徑 a b c因體系絕熱，H值恒定(Hac =0)