熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用

熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用------對(duì)理想氣體的應(yīng)用摘要：熱力學(xué)第一定律是人們生產(chǎn)的理論基礎(chǔ)，在此簡(jiǎn)要敘述熱力學(xué)第一定律的相關(guān)概念及等溫，等容，等壓，絕熱四個(gè)過(guò)程中功與能量的轉(zhuǎn)化。關(guān)鍵詞：定義等溫等容等壓絕熱熱力學(xué)第一定律就是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律。十九世紀(jì)中期，在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐和大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，它才以科學(xué)定律的形式被確立起來(lái)。直到今天，不但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)違反這一定律的事實(shí)，相反的，大量新的實(shí)踐不斷地證明這一定律的正確性，擴(kuò)充著它的實(shí)踐基礎(chǔ)，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(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證了機(jī)械能和電能與熱能之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，他在各種實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的熱功當(dāng)量數(shù)值的一致性，給能量轉(zhuǎn)化和守恒定律奠定了不可動(dòng)搖的基礎(chǔ)。然而，應(yīng)該指出的是，在十八世紀(jì)末和十九世紀(jì)，許多國(guó)家的科學(xué)家都對(duì)這一定律的建立作出了一定的貢獻(xiàn)。這是由于當(dāng)時(shí)的歷史條件所決定的。十八世紀(jì)初，紐可門(mén)制作的大規(guī)模把熱變?yōu)闄C(jī)械能的蒸汽機(jī)已在英國(guó)煤礦和金屬礦使用。十八世紀(jì)后半葉，由瓦特作了重大改進(jìn)的蒸汽機(jī)在英國(guó)煉鐵業(yè)、紡織業(yè)廣泛采用。對(duì)熱機(jī)效率以及機(jī)器中的摩擦生熱問(wèn)題的研究，大大促進(jìn)了人們對(duì)于能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)，在其他領(lǐng)域內(nèi)，也分別地發(fā)現(xiàn)了各種運(yùn)動(dòng)形式之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。如1800年伏打化學(xué)電池的發(fā)明；1834年法拉第點(diǎn)解定律的發(fā)現(xiàn)；1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)；1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象1822年塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電動(dòng)勢(shì)并制作出熱電源；1840年焦耳發(fā)現(xiàn)電流熱效應(yīng)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(zhuǎn)現(xiàn)象。所有這些，都使各種運(yùn)動(dòng)形式間相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化的辯證關(guān)系被充分地揭示出來(lái)。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(zhuǎn)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(dāng)量。最后，由于焦耳的長(zhǎng)期工作，建立了大量可靠的實(shí)驗(yàn)資料，能量轉(zhuǎn)化和守恒定律才最終鞏固地建立起來(lái)。通過(guò)上述的敘述可以看出，熱力學(xué)定律隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，不僅沒(méi)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(duì)熱力學(xué)第一定律做簡(jiǎn)單介紹。熱力學(xué)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(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程中能量的總和不變。熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達(dá)式：ΔU=Q+W或ΔU=Q-W基本內(nèi)容：能量是永恒的，不會(huì)被制造出來(lái)，也不會(huì)被消滅。但是熱能可以給動(dòng)能提供動(dòng)力，而動(dòng)能還能夠再轉(zhuǎn)化成熱能。普遍的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律是一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀(guān)過(guò)程中的具體表現(xiàn)。熱力學(xué)的基本定律之一。熱力學(xué)第一定律是對(duì)能量守恒和轉(zhuǎn)換定律的一種表述方式。表征熱力學(xué)系統(tǒng)能量的是內(nèi)能。通過(guò)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(guò)任意過(guò)程到達(dá)終態(tài)Ⅱ后，內(nèi)能的增量ΔU應(yīng)等于在此過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)傳遞的熱量Q和系統(tǒng)對(duì)外界作功A之差，即UⅡ－UⅠ=ΔU=Q－W或Q=ΔU+W這就是熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式。如果除作功、傳熱外，還有因物質(zhì)從外界進(jìn)入系統(tǒng)而帶入的能量Z，則應(yīng)為ΔU=Q－W+Z。當(dāng)然，上述ΔU、W、Q、Z均可正可負(fù)（使系統(tǒng)能量增加為正、減少為負(fù)）。對(duì)于無(wú)限小過(guò)程，熱力學(xué)第一定律的微分表達(dá)式為δQ=dU+δW因U是狀態(tài)函數(shù)，dU是全微分；Q、W是過(guò)程量，δQ和δW只表示微小量并非全微分，用符號(hào)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(wú)關(guān)。對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，有δQ=dU+pdV。熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)的基本定律,它闡明了熱力學(xué)過(guò)程中內(nèi)能和其它能量形態(tài)轉(zhuǎn)換中能量守恒。熱力工程上實(shí)施熱力過(guò)程的目的有兩點(diǎn)：一是實(shí)現(xiàn)預(yù)期的能量轉(zhuǎn)換；二是達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)變化。一、等溫過(guò)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(diǎn)，這樣，在它與系統(tǒng)交換熱量時(shí)，其內(nèi)部就只經(jīng)歷等溫的可逆變化——稱(chēng)之為“恒溫?zé)嵩础保ㄈ绱罅康谋旌衔?、沸水、某溫度下的恒溫水浴等），同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的壓縮或系統(tǒng)的膨脹又進(jìn)行得十分緩慢，則這系統(tǒng)所經(jīng)歷的過(guò)程可認(rèn)為是可逆的等溫過(guò)程。

該過(guò)程的過(guò)程方程為pV=常量C，過(guò)程曲線(xiàn)為p-V平面上的雙曲線(xiàn)。

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