第15講 熱力學第一定律

大學物理電子教案第15講熱力學第一定律7.1氣體物態(tài)參量平衡態(tài)理想氣體物態(tài)方程7.2準靜態(tài)過程功熱量7.3內能熱力學第一定律7.4理想氣體的等體過程和等壓過程摩爾熱容塔里木大學教學課件第7章熱力學基礎熱力學是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論——根據(jù)實驗總結出來的熱力學定律，用嚴密的邏輯推理的方法，研究宏觀物體的熱力學性質。熱力學不涉及物質的微觀結構，它的主要理論基礎是熱力學的三條定律。本章的內容是熱力學第一定律和熱力學第二定律。7.1氣體物態(tài)參量平衡態(tài)理想氣體物態(tài)方程一、氣體物態(tài)參量1、系統(tǒng)與外界熱力學系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）在熱力學中，把所要研究的對象，即由大量微觀粒子組成的物體或物體系稱為熱力學系統(tǒng)。系統(tǒng)的外界（簡稱外界）能夠與所研究的熱力學系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其它物體，稱為外界。2、氣體的物態(tài)參量把用來描述系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參量。氣體的宏觀狀態(tài)可以用V、P、T描述體積V——幾何參量壓強p——力學參量溫度T——熱力學參量3、說明(1)氣體的p、V、T是描述大量分子熱運動集體特征的物理量，是宏觀量，而氣體分子的質量、速度等是描述個別分子運動的物理量，是微觀量。(2)根據(jù)系統(tǒng)的性質，可能還需要引入化學參量、電磁參量等。二、p、V、T的單位1、氣體的體積V氣體的體積V是指氣體分子無規(guī)則熱運動所能到達的空間。對于密閉容器中的氣體，容器的體積就是氣體的體積。單位：m32、壓強p壓強P是大量分子與容器壁相碰撞而產生的，它等于容器壁上單位面積所受到的正壓力。p=F/S單位：

1Pa=1N.m-2標準大氣壓1atm=76cm.Hg=1.013×105Pa3、溫度T溫度的高低反映分子熱運動激烈程度。(1)熱力學溫標T，單位：K(2)攝氏溫標t，單位：0C00C——水的三相點溫度1000C——水的沸騰點溫度(3)華氏溫標F，單位0F320F——水的三相點溫度2120F——水的沸騰點溫度關系：T=273.15+tF=9t/5+32三、平衡態(tài)一個系統(tǒng)與外界之間沒有能量和物質的傳遞，系統(tǒng)的能量也沒有轉化為其它形式的能量，系統(tǒng)的組成及其質量均不隨時間而變化，這樣的狀態(tài)叫做熱力學平衡態(tài)。1、定義2、說明（1）平衡態(tài)是一個理想狀態(tài)；（2）平衡態(tài)是一種動態(tài)平衡；（3）對于平衡態(tài)，可以用pV圖上的一個點來表示。

pV如果兩個系統(tǒng)分別與處于確定狀態(tài)的第三個系統(tǒng)達到熱平衡，則這兩個系統(tǒng)彼此也將處于熱平衡。3、熱力學第零定律或熱平衡定律熱力學第零定律表明，處在同一平衡態(tài)的所有熱力學系統(tǒng)都有一個共同的宏觀性質，這個決定系統(tǒng)熱平衡的宏觀性質的物理量可以定義為溫度。四、理想氣體的物態(tài)方程1、物態(tài)方程在p、V、T三個狀態(tài)參量之間一定存在某種關系，即其中一個狀態(tài)參量是其它兩個狀態(tài)參量的函數(shù)，如T=T(P,V)——一定量氣體處于平衡態(tài)時的物態(tài)方程2、理想氣體的定義在溫度不太低(與室溫相比)和壓強不太大(與大氣壓相比)時，有三條實驗定律Boyle-Mariotte定律等溫過程中pV=const

Gay-Lussac定律等體過程中p/T=const

Charles定律等壓過程中V/T=const

Avogadro定律：在同樣的溫度和壓強下，相同體積的氣體含有相同數(shù)量的分子。在標準狀態(tài)下，1摩爾任何氣體所占有的體積為22.4升。理想氣體的定義：在任何情況下都遵守上述三個實驗定律和Avogadro定律的氣體稱為理想氣體。3、理想氣體的物態(tài)方程形式1m——氣體質量M——氣體摩爾質量R=8.31J·mol-1·K-1——摩爾氣體常量形式27.2準靜態(tài)過程功熱量一、準靜態(tài)過程1、熱力學過程當系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間變化時，我們就說系統(tǒng)在經歷一個熱力學過程，簡稱過程。推進活塞壓縮汽缸內的氣體時，氣體的體積、密度、溫度或壓強都將變化2、非靜態(tài)過程在熱力學過程的發(fā)生時，系統(tǒng)往往由一個平衡狀態(tài)經過一系列狀態(tài)變化后到達另一平衡態(tài)。如果中間狀態(tài)為非平衡態(tài)，則此過程稱非靜態(tài)過程。為從平衡態(tài)破壞到新平衡態(tài)建立所需的時間稱為弛豫時間。3、準靜態(tài)過程如果一個熱力學系統(tǒng)過程在始末兩平衡態(tài)之間所經歷的之中間狀態(tài)，可以近似當作平衡態(tài)，則此過程為準靜態(tài)過程。準靜態(tài)過程只有在進行的“無限緩慢”的條件下才可能實現(xiàn)。對于實際過程則要求系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的特征時間遠遠大于弛豫時間才可近似看作準靜態(tài)過程。說明：系統(tǒng)的準靜態(tài)變化過程可用pV圖上的一條曲線表示，稱之為過程曲線。二、功當氣體作無摩擦的準靜態(tài)膨脹或壓縮時，為了維持氣體的平衡態(tài)，外界的壓強必然等于氣體的壓強。系統(tǒng)對外界所作的功等于pV

圖上過程曲線下面的面積說明系統(tǒng)所作的功與系統(tǒng)的始末狀態(tài)有關，而且還與路徑有關，是一個過程量。氣體膨脹時，系統(tǒng)對外界作功氣體壓縮時，外界對系統(tǒng)作功作功是改變系統(tǒng)內能的一種方法本質：通過宏觀位移來完成的：機械運動→分子熱運動VOPdVV1V2三、熱量1、例子外界向系統(tǒng)傳遞熱量，系統(tǒng)內能增大：加熱水系統(tǒng)向外界傳遞熱量，系統(tǒng)內能減小。2、定義系統(tǒng)與外界之間由于存在溫度差而傳遞的能量叫做熱量。3、本質外界與系統(tǒng)相互交換熱量。分子熱運動→分子熱運動說明熱量傳遞的多少與其傳遞的方式有關熱量的單位：焦耳7.3內能熱力學第一定律一、內能熱力學系統(tǒng)的能量取決于系統(tǒng)的狀態(tài)——內能。說明1、理想氣體的內能僅是溫度的函數(shù)2、熱力學系統(tǒng)內能的變化是通過系統(tǒng)與外界交換熱量或外界對系統(tǒng)作功來實現(xiàn)的3、系統(tǒng)內能的增量只與系統(tǒng)起始與終了位置有關，而與系統(tǒng)所經歷的過程無關二、熱力學第一定律1、內容系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分使系統(tǒng)的內能增加，另一部分使系統(tǒng)對外界作功2、本質熱力學第一定律是包括熱現(xiàn)象在內的能量守恒定律，對任何物質的任何過程都成立。對于微小過程3、說明符號規(guī)定：熱量Q：正號——系統(tǒng)從外界吸收熱量負號——系統(tǒng)向外界放出熱量功W：正號——系統(tǒng)對外界作功負號——外界對系統(tǒng)作功內能ΔE：正號——系統(tǒng)能量增加負號——系統(tǒng)能量減小計算中，各物理量的單位是相同的，在SI制中為J三、熱力學第一定律的另一種表述1、第一類永動機不需要外界提供能量，也不需要消耗系統(tǒng)的內能，但可以對外界作功。2、熱力學第一定律的另一種表述第一類永動機是不可能造成的。第一類永動機違反了能量守恒定律，因而是不可能實現(xiàn)的7.4理想氣體的等體過程和等壓過程摩爾熱容一、等體過程定體摩爾熱容1、等體過程特點：理想氣體的體積保持不變，V=const過程曲線：在PV圖上是一條平行于p軸的直線，叫等體線。內能、功和熱量的變化特征：系統(tǒng)對外界不作功，系統(tǒng)吸收的熱量全部用來增加系統(tǒng)的內能。過程方程：2、定體摩爾熱容定義1mol理想氣體在等體過程中，溫度升高1K時所吸收的熱量，稱為該物質的定體摩爾熱容。等體過程的熱量公式系統(tǒng)吸收熱量系統(tǒng)放出熱量氣體內能的增量二、等壓過程定壓摩爾熱容1、等壓過程特點：理想氣體的壓強保持不變，p=const過程曲線：在PV圖上是一條平行于V軸的直線，叫等壓線。內能、功和熱量的變化特征：系統(tǒng)吸收的熱量一部分用來增加系統(tǒng)的內能，另一部分使系統(tǒng)對外界作功。過程方程：2、定壓摩爾熱容定義1mol理想氣體在等壓過程中，溫度升高1K時所吸收的熱量，稱為該物質的定壓摩爾熱容。等壓過程的熱量公式系統(tǒng)吸收熱量系統(tǒng)放出熱量氣體內能的增量3、關于摩爾熱容的討論Mayer公式推導理想氣體的定壓摩爾熱容比定體摩爾熱容大一個恒量R在等體過程中，氣體吸收的熱量全部用來增加系統(tǒng)的內能等壓過程中，氣體吸收的熱量，一部分用來增加系統(tǒng)的內能，還有一部分用于氣體膨脹時對外界作功氣體升高相同的溫度，在等壓過程吸收的熱量要比在等溫過程中吸收的熱量多。摩爾熱容比氣體理論值實驗值CV,mCP,mγCV,mCP,mγHe12.4720.781.6712.6120.951.66Ne12.5320.901.67H220.7820.091.4020.4728.831.41N220.5628.881.40O221.1629.611.40H2O24.9333.241.3327.836.21.31CH427.235.21.30CHCl363.772.01.13三、比熱容1、熱容：使物質溫度升高1K所需要的熱量稱為