材料熱力學(xué) 課件 3-第二章 熱力學(xué)第一定律-1

任課教師：王錦程O(píng)ffice：友誼校區(qū)創(chuàng)新大廈B-1318Telmail：jchwang@

內(nèi)能、熱與功：狀態(tài)量與過(guò)程量上節(jié)回顧理想氣體狀態(tài)方程

理想氣體微觀近似分子間無(wú)相互作用力分子本身不占有體積范德華氣體狀態(tài)方程修正思路壓縮因子Z

熱力學(xué)第零定律：熱平衡定律熱力學(xué)溫標(biāo)：華氏、攝氏、開(kāi)氏熱力學(xué)第一定律:

2/36關(guān)于熱力學(xué)溫標(biāo)的下列說(shuō)法中不正確的是熱力學(xué)溫度的每一度的大小與攝氏溫度的相同?熱力學(xué)溫度的零度記為0K，它等于-273.15℃?一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)它的溫度降低至絕對(duì)零度時(shí)，氣體的壓強(qiáng)也應(yīng)為零C敘述的內(nèi)容是理論上的推導(dǎo)，實(shí)際是達(dá)不到的ABCD提交3/33單選題1分關(guān)于熱和功，下面的說(shuō)法中不正確的是功和熱只出現(xiàn)于系統(tǒng)狀態(tài)變化的過(guò)程中，僅存在于系統(tǒng)和環(huán)境間的界面上只有在封閉系統(tǒng)發(fā)生的過(guò)程中，功和熱才有明確的意義功和熱不是系統(tǒng)的能量，而是能量傳遞的兩種形式，可稱之為被交換的能量在封閉系統(tǒng)中發(fā)生的過(guò)程，若內(nèi)能不變，則功和熱對(duì)系統(tǒng)的影響必互相抵消ABCD提交4/33單選題1分下面的說(shuō)法符合熱力學(xué)第一定律的是在一完全絕熱且邊界為剛性的密閉容器中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，其內(nèi)能一定變化A在無(wú)功過(guò)程中，

內(nèi)能變化等于過(guò)程熱，

這表明內(nèi)能增量不一定與熱力學(xué)過(guò)程無(wú)關(guān)B封閉系統(tǒng)在指定的兩個(gè)平衡態(tài)之間經(jīng)歷絕熱變化時(shí)，

系統(tǒng)所做的功與途徑無(wú)關(guān)C氣體在絕熱膨脹或絕熱壓縮過(guò)程中，

其內(nèi)能的變化值與過(guò)程完成的方式無(wú)關(guān)D提交5/33單選題1分2.1熱平衡定律與熱力學(xué)溫標(biāo)

2.2熱力學(xué)第一定律

2.3功的計(jì)算

2.4熱的計(jì)算

2.5第一定律在理想氣體中的應(yīng)用

2.6第一定律在實(shí)際氣體中的應(yīng)用

2.8第一定律在相變過(guò)程中的應(yīng)用第二章熱力學(xué)第一定律6/36常見(jiàn)的功機(jī)械功

體積功（膨脹功）電功

表面功

※熱力學(xué)中一般不考慮非體積功非體積功在廣義力(如壓強(qiáng)、電動(dòng)勢(shì)等)作用下產(chǎn)生了廣義位移(如體積變化和電量遷移)功的常見(jiàn)形式功的定義

外在作用內(nèi)在變化7/36

體積功的計(jì)算

8/36

幾種不同過(guò)程功的計(jì)算：氣體自由膨脹（氣體向真空膨脹）：恒外壓過(guò)程：

恒壓過(guò)程：

恒容過(guò)程：

液體恒壓蒸發(fā)過(guò)程：

液體向真空蒸發(fā)過(guò)程：

體積功計(jì)算公式體積功的計(jì)算等壓過(guò)程？

9/36不同類型的功廣義力廣義位移功的微分形式機(jī)械功體積功彈性功重力功表面功電磁功電荷轉(zhuǎn)移電場(chǎng)極化磁場(chǎng)極化磁矩m其它形式功的計(jì)算10/36對(duì)于功，下面的說(shuō)法中不正確的是在系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功或環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)，

環(huán)境中一定會(huì)留下某種痕跡A功的量值與系統(tǒng)的始末態(tài)有關(guān)B無(wú)論做什么功都伴隨著系統(tǒng)中某種物質(zhì)微粒的定向運(yùn)動(dòng)C廣義功=廣義力×廣義位移。系統(tǒng)做功時(shí)，“廣義力”是指環(huán)境施予系統(tǒng)的力；環(huán)境做功時(shí)，“廣義力”是指系統(tǒng)施予環(huán)境的力D提交11/36單選題1分

1.自由膨脹（freeexpansion）

2.一次等外壓膨脹（pe保持不變）

系統(tǒng)所作功的絕對(duì)值如陰影面積所示。

陰影面積代表不同過(guò)程下的體積功等外膨脹12/36外壓差距越小，膨脹次數(shù)越多，做的功也越多。

所作的功等于2次作功的加和。

(1)克服外壓為，體積從膨脹到；

(2)克服外壓為，體積從膨脹到。3.兩次等外壓膨脹所作的功不同過(guò)程下的體積功13/36

外壓相當(dāng)于一杯水，水不斷蒸發(fā)，這樣的膨脹過(guò)程是無(wú)限緩慢的，每一步都接近于平衡態(tài)。所作的功為：

※這種過(guò)程近似地可看作可逆過(guò)程，系統(tǒng)所作的功最大。對(duì)理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程不同過(guò)程下的體積功4.多次等外壓膨脹所作的功（外壓比內(nèi)壓小一個(gè)無(wú)窮小的值）水

始態(tài)終態(tài)14/361.一次等外壓壓縮

不同過(guò)程下的體積功等外壓縮15/36

第二步：用的壓力將系統(tǒng)從壓縮到整個(gè)過(guò)程所作的功為兩步的加和。

第一步：用的壓力將系統(tǒng)從壓縮到2.兩次等外壓壓縮不同過(guò)程下的體積功16/36

如果將蒸發(fā)掉的水氣慢慢在杯中凝聚，使壓力緩慢增加，恢復(fù)到原狀，所作的功為：

不同過(guò)程下的體積功3.多次等外壓壓縮

終態(tài)水始態(tài)17/36

可逆膨脹，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作最大功；可逆壓縮，環(huán)境對(duì)系統(tǒng)作最小功可逆膨脹(壓縮）兩次次膨脹(壓縮）一次膨脹(壓縮）膨脹壓縮不同過(guò)程下的體積功系統(tǒng)和環(huán)境都能恢復(fù)到原狀

對(duì)理想氣體18/36系統(tǒng)經(jīng)過(guò)某一過(guò)程從狀態(tài)1變到狀態(tài)2后，如果能使系統(tǒng)和環(huán)境都恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)而未留下任何永久性的變化，則該過(guò)程稱為熱力學(xué)可逆過(guò)程熱力學(xué)可逆過(guò)程：

21可逆過(guò)程如果一個(gè)系統(tǒng)在其變化過(guò)程中所經(jīng)歷的每一中間狀態(tài)都無(wú)限接近于熱力學(xué)平衡態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱為準(zhǔn)平衡過(guò)程或準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程氣體活塞砂子準(zhǔn)靜態(tài)膨脹過(guò)程若沒(méi)有因摩擦等因素造成能量的耗散，可看作為可逆過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：19/36“雙復(fù)原”：逆向進(jìn)行之后系統(tǒng)恢復(fù)到原狀態(tài)，在環(huán)境中不留下影響。

∴可逆過(guò)程進(jìn)行之后，在系統(tǒng)和環(huán)境中產(chǎn)生的后果能同時(shí)完全消失。可逆意味著平衡：

可逆過(guò)程特點(diǎn)20/36可逆過(guò)程幾種典型的可逆過(guò)程可逆化學(xué)反應(yīng)氣體活塞砂子可逆膨脹(壓縮)可逆?zhèn)鳠峥赡嫦嘧兞W(xué)平衡熱平衡相平衡化學(xué)平衡21/36關(guān)于可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程的判斷，其中正確的是可逆熱力學(xué)過(guò)程一定是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程一定是可逆過(guò)程不可逆過(guò)程就是不能相反方向進(jìn)行的過(guò)程凡有摩擦的過(guò)程，一定是不可逆過(guò)程。ABCD提交22/36多選題1分2.1熱平衡定律與熱力學(xué)溫標(biāo)

2.2熱力學(xué)第一定律

2.3功的計(jì)算

2.4熱的計(jì)算

2.5第一定律在理想氣體中的應(yīng)用

2.6第一定律在實(shí)際氣體中的應(yīng)用

2.8第一定律在相變過(guò)程中的應(yīng)用第二章熱力學(xué)第一定律23/36等容熱效應(yīng)

等容過(guò)程

無(wú)非體積功等容且不做非體積功的條件下，等容熱效應(yīng)等于系統(tǒng)的內(nèi)能變24/36

等壓過(guò)程

無(wú)非體積功

等壓熱效應(yīng)

25/36定義:

等壓且不做非體積功的條件下，等壓熱效應(yīng)等于系統(tǒng)的焓變焓是狀態(tài)函數(shù)定義式中焓由狀態(tài)函數(shù)組成焓不是能量 雖然具有能量的單位，但不遵守能量守恒定律

焓26/36涉及焓的下列說(shuō)法中正確的是單質(zhì)的焓值均等于零A在等溫過(guò)程中焓變?yōu)榱鉈在等溫可逆過(guò)程中焓變?yōu)榱鉉焓變不一定大于內(nèi)能變化D提交27/36多選題1分某系統(tǒng)在非等壓過(guò)程中加熱，吸熱Q，使溫度從T1升至T2，則此過(guò)程的焓增量ΔH為：ΔH＝QΔH＝0ΔH＝ΔU＋Δ(pV)ΔH等于別的值A(chǔ)BCD提交28/36單選題1分對(duì)不發(fā)生相變和化學(xué)變化且不做非體積功的均相封閉系統(tǒng)，

熱容：系統(tǒng)升高單位熱力學(xué)溫度時(shí)所吸收的熱熱容的大小與系統(tǒng)所含物質(zhì)的量和升溫條件有關(guān)：簡(jiǎn)單變溫過(guò)程等壓熱容

等容熱容

熱容的定義熱容29/36

摩爾熱容

摩爾等壓熱容摩爾等容熱容

熱容是溫度的函數(shù)。熱容與溫度的函數(shù)關(guān)系因物質(zhì)、物態(tài)和溫度區(qū)間的不同而有不同的形式。

熱容30/362.1熱平衡定律與熱力學(xué)溫標(biāo)

2.2熱力學(xué)第一定律

2.3功的計(jì)算

2.4熱的計(jì)算

2.5第一定律在理想氣體中的應(yīng)用

2.6第一定律在實(shí)際氣體中的應(yīng)用

2.8第一定律在相變過(guò)程中的應(yīng)用第二章熱力學(xué)第一定律31/36將兩個(gè)容量相等的容器，放在水浴中，左球充滿氣體，右球?yàn)檎婵眨ㄉ蠄D）；打開(kāi)活塞，氣體由左球沖入右球，達(dá)平衡（下圖）Gay-Lussac在1807年、Joule在1843年分別做了如下實(shí)驗(yàn)：氣體和水浴溫度均未變

系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)外做功

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，該過(guò)程的

Gay-Lussac-Joule實(shí)驗(yàn)理想氣體的內(nèi)能和焓蓋?呂薩克—焦耳實(shí)驗(yàn)氣體達(dá)到平衡低壓氣體真空32/36理想氣體的內(nèi)能和焓1.理想氣體在自由膨脹中溫度不變，內(nèi)能不變2.理想氣體的內(nèi)能和焓僅是溫度的函數(shù)從Gay-Lussac-Joule實(shí)驗(yàn)得到：

理想氣體在等溫時(shí)，改變體積，其內(nèi)能不變33/36理想氣體的內(nèi)能和焓理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)，與體積和壓力無(wú)關(guān)

Joule定律

34/36理想氣體的焓理想氣體的內(nèi)能和焓根據(jù)焓的定義式

理想氣體的焓也僅是溫度的函數(shù)，與體積和壓力無(wú)關(guān)

對(duì)于理想氣體，在等溫下有

35/36理想氣體的

U和H的計(jì)算理想氣體的內(nèi)能和焓從Joule實(shí)驗(yàn)得

同理

所以

對(duì)理想氣體，在不做非體積功的條件下

36/36等容過(guò)程中，升高溫度，系統(tǒng)所吸的熱全部用來(lái)增加內(nèi)能等壓過(guò)程中，所吸的熱除增加內(nèi)能外，還要多吸一點(diǎn)熱量用來(lái)對(duì)外做體積功通常溫度下