熱力學第一定律及其應用

熱力學第一定律及其應用------對理想氣體的應用摘要：熱力學第一定律是人們生產(chǎn)的理論基礎，在此簡要敘述熱力學第一定律的相關概念及等溫，等容，等壓，絕熱四個過程中功與能量的轉化。關鍵詞：定義等溫等容等壓絕熱熱力學第一定律就是能量轉化和守恒定律。十九世紀中期，在長期生產(chǎn)實踐和大量科學實驗的基礎上，它才以科學定律的形式被確立起來。直到今天，不但沒有發(fā)現(xiàn)違反這一定律的事實，相反的，大量新的實踐不斷地證明這一定律的正確性，擴充著它的實踐基礎，豐富著它所概括的內(nèi)容。從1840—1879年,焦耳用大量的、精確的科學實驗結果論證了機械能和電能與熱能之間的轉化關系，他在各種實驗中測定的熱功當量數(shù)值的一致性，給能量轉化和守恒定律奠定了不可動搖的基礎。然而，應該指出的是，在十八世紀末和十九世紀，許多國家的科學家都對這一定律的建立作出了一定的貢獻。這是由于當時的歷史條件所決定的。十八世紀初，紐可門制作的大規(guī)模把熱變?yōu)闄C械能的蒸汽機已在英國煤礦和金屬礦使用。十八世紀后半葉，由瓦特作了重大改進的蒸汽機在英國煉鐵業(yè)、紡織業(yè)廣泛采用。對熱機效率以及機器中的摩擦生熱問題的研究，大大促進了人們對于能量轉化規(guī)律的認識。與此同時，在其他領域內(nèi)，也分別地發(fā)現(xiàn)了各種運動形式之間的相互聯(lián)系和轉化。如1800年伏打化學電池的發(fā)明；1834年法拉第點解定律的發(fā)現(xiàn)；1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應；1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象1822年塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電動勢并制作出熱電源；1840年焦耳發(fā)現(xiàn)電流熱效應方面的焦耳定律；1840年法拉第還發(fā)現(xiàn)了光的偏振面磁致旋轉現(xiàn)象。所有這些，都使各種運動形式間相互聯(lián)系和相互轉化的辯證關系被充分地揭示出來。正是在這種歷史條件下，醫(yī)生邁爾于1842年曾列舉了25種相互轉化的形式，并從空氣的定壓比熱與定容比熱之差算出了熱功當量。最后，由于焦耳的長期工作，建立了大量可靠的實驗資料，能量轉化和守恒定律才最終鞏固地建立起來。通過上述的敘述可以看出，熱力學定律隨著時代的發(fā)展和科技的進步，不僅沒有被人們所推翻，其內(nèi)容反而變得更加的豐富，在生活生產(chǎn)中也發(fā)揮著極大的作用。下面首先對熱力學第一定律做簡單介紹。熱力學第一定律的定義：自然界一切物體都具有能量，能量有各種不同形式，它能從一種形式轉化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉化和傳遞過程中能量的總和不變。熱力學第一定律數(shù)學表達式：ΔU=Q+W或ΔU=Q-W基本內(nèi)容：能量是永恒的，不會被制造出來，也不會被消滅。但是熱能可以給動能提供動力，而動能還能夠再轉化成熱能。普遍的能量轉化和守恒定律是一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程中的具體表現(xiàn)。熱力學的基本定律之一。熱力學第一定律是對能量守恒和轉換定律的一種表述方式。表征熱力學系統(tǒng)能量的是內(nèi)能。通過作功和傳熱，系統(tǒng)與外界交換能量，使內(nèi)能有所變化。根據(jù)普遍的能量守恒定律，系統(tǒng)由初態(tài)Ⅰ經(jīng)過任意過程到達終態(tài)Ⅱ后，內(nèi)能的增量ΔU應等于在此過程中外界對系統(tǒng)傳遞的熱量Q和系統(tǒng)對外界作功A之差，即UⅡ－UⅠ=ΔU=Q－W或Q=ΔU+W這就是熱力學第一定律的表達式。如果除作功、傳熱外，還有因物質(zhì)從外界進入系統(tǒng)而帶入的能量Z，則應為ΔU=Q－W+Z。當然，上述ΔU、W、Q、Z均可正可負（使系統(tǒng)能量增加為正、減少為負）。對于無限小過程，熱力學第一定律的微分表達式為δQ=dU+δW因U是狀態(tài)函數(shù)，dU是全微分；Q、W是過程量，δQ和δW只表示微小量并非全微分，用符號δ以示區(qū)別。又因ΔU或dU只涉及初、終態(tài)，只要求系統(tǒng)初、終態(tài)是平衡態(tài)，與中間狀態(tài)是否平衡態(tài)無關。對于準靜態(tài)過程，有δQ=dU+pdV。熱力學第一定律是熱力學的基本定律,它闡明了熱力學過程中內(nèi)能和其它能量形態(tài)轉換中能量守恒。熱力工程上實施熱力過程的目的有兩點：一是實現(xiàn)預期的能量轉換；二是達到預期的狀態(tài)變化。一、等溫過程

若系統(tǒng)與外界之間傳熱良好，而外界又有熱容量極大地特點，這樣，在它與系統(tǒng)交換熱量時，其內(nèi)部就只經(jīng)歷等溫的可逆變化——稱之為“恒溫熱源”（如大量的冰水混合物、沸水、某溫度下的恒溫水浴等），同時對系統(tǒng)的壓縮或系統(tǒng)的膨脹又進行得十分緩慢，則這系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程可認為是可逆的等溫過程。

該過程的過程方程為pV=常量C，過程曲線為p-V平面上的雙曲線。

由于過程中無溫度變化，故亦無內(nèi)能變化，△T=0，△U=0。隨之，A=-Q。即等溫壓縮時，外界所作正功完全轉化為氣體對熱源放出的熱量；等溫膨脹時，從熱源吸收的熱量全部轉化為氣體對外作的功。利用狀態(tài)方程易得：A=-=-=-還可用狀態(tài)方程及過程方程將上式換成其他形式，如：A=-ln=-該過程雖吸（放）熱，但溫度不變，故熱容量為±∞，所以不能經(jīng)由該過程的熱容量來計算吸（放）熱量，只能由Q=-A而得Q。二、等容過程過程方程為V=常量，或=常量。在p-V平面上其過程曲線是垂直于體積軸的一直線段。該過程不作體積功，A=0。吸熱用系統(tǒng)的定容熱容量進行計算