材料熱力學(xué)第一定律

材料熱力學(xué)第一定律第1頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一授課內(nèi)容第一章熱力學(xué)第一定律第2頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一

熱力學(xué)是研究熱、和其它形式能量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系它包含當(dāng)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，上述公理稱之為熱力學(xué)第零定律。熱力學(xué)第零定律是引出溫度概念建立溫標(biāo)的基礎(chǔ)。若兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則他們彼此之間處于熱平衡。第3頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一無數(shù)事實證明：冷熱不同的兩個物體相接觸，它們的溫度逐漸接近，最后達(dá)到相同。這時，我們說兩個物體達(dá)到了熱平衡。熱力學(xué)第零定律也可以表示為：一切互為熱平衡的物體，具有相同的溫度。第4頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學(xué)第一定律§1-1熱功當(dāng)量·····(為第一定律的建立奠定了實驗基礎(chǔ))

1842年邁耶(Mayer)發(fā)表了《論無機(jī)性質(zhì)的力》的論文，表述了物理、化學(xué)過程中各種力（能）的轉(zhuǎn)化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當(dāng)量的人。

1843年焦耳在英國科學(xué)協(xié)會會議上宣讀了《論磁電的熱效應(yīng)及熱的機(jī)械值》論文，強(qiáng)調(diào)了自然界的能是等量轉(zhuǎn)換、不會消滅的。焦耳先后用不同的方法做了400多次實驗，得出結(jié)論：熱功當(dāng)量是一個普適常量，與做功方式無關(guān)。第5頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一§1-1熱功當(dāng)量·····(為第一定律的建立奠定了實驗基礎(chǔ))第一章熱力學(xué)第一定律

焦耳（Joule）和邁耶(Mayer)自1840年起，歷經(jīng)20多年，通過各種實驗求證熱和功的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到一致的結(jié)果，提出了“熱功當(dāng)量”的概念”確立了熱功當(dāng)量關(guān)系：1Joule=0.241cal后來更精確地測定為:1Joule=0.2389cal1847年，亥姆霍茲發(fā)表《論力的守恒》，第一次系統(tǒng)地闡述了能量守恒原理，從理論上把力學(xué)中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學(xué)反應(yīng)等過程。它們不僅可以相互轉(zhuǎn)化，而且在量上還有一種確定的關(guān)系。第6頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一§1-2熱力學(xué)第一定律第一章熱力學(xué)第一定律能量守恒與轉(zhuǎn)化定律：自然界的一切物質(zhì)具有能量，能量有各種不同形式，能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，在轉(zhuǎn)化中，能的形式可以轉(zhuǎn)化，但能量的總值不變。將能量守恒定律應(yīng)用到熱力學(xué)上，就是熱力學(xué)第一定律。第7頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一熱力學(xué)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(nèi)能，即第一類永動機(jī)不可能實現(xiàn)。約280年前，有位德國博士奧爾菲留斯發(fā)明了一個“永動機(jī)”

—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(nèi)牽動繩子，輪子就會轉(zhuǎn)。輪子不是“永動”的，而是“人動”的。

第一章熱力學(xué)第一定律第8頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學(xué)第一定律德國科學(xué)家R.Clausius是第一位把熱力學(xué)第一定律用數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來的人。1850年，Clausius所發(fā)表論文中，以水蒸發(fā)為例，認(rèn)為物體熱量的增加量dQ等于物體中熱量的變化dH、內(nèi)功的變化dJ和外功變化dW的和，即：Clausius沒有對U命名，次年LordKelvin稱U為內(nèi)能（internalenergy）。§1-2熱力學(xué)第一定律第9頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學(xué)第一定律§1-2熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)形式：ΔU=Q+W(1-1)若體系發(fā)生微小的變化，內(nèi)能的變化

dU=δQ+δW······(1-2)物理意義：體系內(nèi)能的增量等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(nèi)的能量守恒。第10頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一§1-4焓和比熱容第一章熱力學(xué)第一定律設(shè)體系在變化過程中只作體積功，不作其它功 對于準(zhǔn)靜態(tài)δQ=dU-δW=dU+pdV（1-3）令H≡U+pV,H稱為焓或熱焓ΔH=ΔU+Δ(PV)dH=dU+d(PV)對于恒壓過程,dp=0δQ=dHΔH=Qp(1-4)

δQ=dHΔH=Qp(1-4)

對于恒容過程,dV=0δQV=dUΔU=QV(1-4)

第11頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學(xué)第一定律§1-4焓和比熱容熱容定義為當(dāng)溫度變化很小時恒容熱容恒壓熱容

*當(dāng)溫度由T1變化為T2時：第12頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一

1）焓是裝態(tài)函數(shù)，當(dāng)始末兩平衡態(tài)確定后，系統(tǒng)的焓變也是確定的,與過程無關(guān).

2）當(dāng)系統(tǒng)分為幾個部分時，各部分的焓變之和等于系統(tǒng)的焓變.§1-5焓變計算第13頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學(xué)第一定律§1-5焓變計算[習(xí)題1]以旋塞隔開而體積相等的兩個玻璃球，分別貯有1molO2和1molN2，溫度均為25℃，壓力均為01.MPa。在絕熱條件下，打開旋塞使兩種氣體混合。取兩種氣體為系統(tǒng)，試求混合過程的Q、W、ΔU、ΔH

(設(shè)O2和N2均為理想氣體)[解]∵絕熱，∴Q=0∵系統(tǒng)的體積不變，∴W=0ΔU=Q+W=0ΔH=ΔU+Δ(PV)=CpΔT=0第14頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學(xué)第一定律§1-5焓變計算[習(xí)題2]已知液體Pb在1atm熱容Cp(l)=32.43?3.1×10-3TJ/(mol·K)固體Pb的熱容Cp(s)=23.56+9.75×10-3TJ/(mol·K)液體Pb熔點600K的凝固熱為4811.60J/mol求液體Pb過冷至590K凝固為固體ΔH如下圖所示，設(shè)計3個過程求ΔHa→dΔHa→d=ΔHa→b

+ΔHb→c

+ΔHc→d●590K液體Pba●590K固體Pbd④ΔHa→d

●600K固體Pbc②ΔHm③ΔHc→d●600K液體Pbb①ΔHa→b第15頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學(xué)第一定律§1-5焓變計算ΔHa→d=ΔHa→b

+ΔHb→c

+ΔHc→dΔHb→c

=ΔHm(600K)=-H凝固ΔHa→d=ΔHa→b

+ΔHb→c

+ΔHc→d=305.85-4811.60-293.92=-4799●600K液體Pbb●600K固體Pbc●590K液體Pba●590K固體Pbd④ΔH

③②ΔHm①ΔHa→b第16頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一[習(xí)題3]已知Sn在(熔點)505K時的熔化熱為7070.96J/mol,并有Cp(l)=34.69?9.20×10-3TJ/(mol·K)Cp(s)=18.49+26.36×10-3TJ/(mol·K)計算Sn在絕熱器內(nèi)過冷到495K時能自動凝固的分?jǐn)?shù)[解]設(shè)體系為1molSn；其中xmol凝固為固體，(1-x)mol仍為液體，此時505K兩相共存按路徑a→b→c因體系絕熱，H值恒定(ΔHa→c

=0)∴ΔHa(液,495K)

→b