第15講 熱力學(xué)第一定律

大學(xué)物理電子教案第15講熱力學(xué)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(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程功熱量7.3內(nèi)能熱力學(xué)第一定律7.4理想氣體的等體過(guò)程和等壓過(guò)程摩爾熱容塔里木大學(xué)教學(xué)課件第7章熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象的宏觀(guān)理論——根據(jù)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的熱力學(xué)定律，用嚴(yán)密的邏輯推理的方法，研究宏觀(guān)物體的熱力學(xué)性質(zhì)。熱力學(xué)不涉及物質(zhì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，它的主要理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)的三條定律。本章的內(nèi)容是熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)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(xué)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)）在熱力學(xué)中，把所要研究的對(duì)象，即由大量微觀(guān)粒子組成的物體或物體系稱(chēng)為熱力學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)的外界（簡(jiǎn)稱(chēng)外界）能夠與所研究的熱力學(xué)系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其它物體，稱(chēng)為外界。2、氣體的物態(tài)參量把用來(lái)描述系統(tǒng)宏觀(guān)狀態(tài)的物理量稱(chēng)為狀態(tài)參量。氣體的宏觀(guān)狀態(tài)可以用V、P、T描述體積V——幾何參量壓強(qiáng)p——力學(xué)參量溫度T——熱力學(xué)參量3、說(shuō)明(1)氣體的p、V、T是描述大量分子熱運(yùn)動(dòng)集體特征的物理量，是宏觀(guān)量，而氣體分子的質(zhì)量、速度等是描述個(gè)別分子運(yùn)動(dòng)的物理量，是微觀(guān)量。(2)根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)，可能還需要引入化學(xué)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(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)所能到達(dá)的空間。對(duì)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(qiáng)p壓強(qiáng)P是大量分子與容器壁相碰撞而產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm=76cm.Hg=1.013×105Pa3、溫度T溫度的高低反映分子熱運(yùn)動(dòng)激烈程度。(1)熱力學(xué)溫標(biāo)T，單位：K(2)攝氏溫標(biāo)t，單位：0C00C——水的三相點(diǎn)溫度1000C——水的沸騰點(diǎn)溫度(3)華氏溫標(biāo)F，單位0F320F——水的三相點(diǎn)溫度2120F——水的沸騰點(diǎn)溫度關(guān)系：T=273.15+tF=9t/5+32三、平衡態(tài)一個(gè)系統(tǒng)與外界之間沒(méi)有能量和物質(zhì)的傳遞，系統(tǒng)的能量也沒(méi)有轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，系統(tǒng)的組成及其質(zhì)量均不隨時(shí)間而變化，這樣的狀態(tài)叫做熱力學(xué)平衡態(tài)。1、定義2、說(shuō)明（1）平衡態(tài)是一個(gè)理想狀態(tài)；（2）平衡態(tài)是一種動(dòng)態(tài)平衡；（3）對(duì)于平衡態(tài)，可以用pV圖上的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示。

pV如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與處于確定狀態(tài)的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，則這兩個(gè)系統(tǒng)彼此也將處于熱平衡。3、熱力學(xué)第零定律或熱平衡定律熱力學(xué)第零定律表明，處在同一平衡態(tài)的所有熱力學(xué)系統(tǒng)都有一個(gè)共同的宏觀(guān)性質(zhì)，這個(gè)決定系統(tǒng)熱平衡的宏觀(guān)性質(zhì)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(gè)狀態(tài)參量之間一定存在某種關(guān)系，即其中一個(gè)狀態(tài)參量是其它兩個(gè)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(shí)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(qiáng)不太大(與大氣壓相比)時(shí)，有三條實(shí)驗(yàn)定律Boyle-Mariotte定律等溫過(guò)程中pV=const

Gay-Lussac定律等體過(guò)程中p/T=const

Charles定律等壓過(guò)程中V/T=const

Avogadro定律：在同樣的溫度和壓強(qiáng)下，相同體積的氣體含有相同數(shù)量的分子。在標(biāo)準(zhǔn)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(gè)實(shí)驗(yàn)定律和Avogadro定律的氣體稱(chēng)為理想氣體。3、理想氣體的物態(tài)方程形式1m——?dú)怏w質(zhì)量M——?dú)怏w摩爾質(zhì)量R=8.31J·mol-1·K-1——摩爾氣體常量形式27.2準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程功熱量一、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程1、熱力學(xué)過(guò)程當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間變化時(shí)，我們就說(shuō)系統(tǒng)在經(jīng)歷一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程。推進(jìn)活塞壓縮汽缸內(nèi)的氣體時(shí)，氣體的體積、密度、溫度或壓強(qiáng)都將變化2、非靜態(tài)過(guò)程在熱力學(xué)過(guò)程的發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)往往由一個(gè)平衡狀態(tài)經(jīng)過(guò)一系列狀態(tài)變化后到達(dá)另一平衡態(tài)。如果中間狀態(tài)為非平衡態(tài)，則此過(guò)程稱(chēng)非靜態(tài)過(guò)程。為從平衡態(tài)破壞到新平衡態(tài)建立所需的時(shí)間稱(chēng)為弛豫時(shí)間。3、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程如果一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)過(guò)程在始末兩平衡態(tài)之間所經(jīng)歷的之中間狀態(tài)，可以近似當(dāng)作平衡態(tài)，則此過(guò)程為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程只有在進(jìn)行的“無(wú)限緩慢”的條件下才可能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于實(shí)際過(guò)程則要求系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的特征時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弛豫時(shí)間才可近似看作準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。說(shuō)明：系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)變化過(guò)程可用pV圖上的一條曲線(xiàn)表示，稱(chēng)之為過(guò)程曲線(xiàn)。二、功當(dāng)氣體作無(wú)摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)膨脹或壓縮時(shí)，為了維持氣體的平衡態(tài)，外界的壓強(qiáng)必然等于氣體的壓強(qiáng)。系統(tǒng)對(duì)外界所作的功等于pV

圖上過(guò)程曲線(xiàn)下面的面積說(shuō)明系統(tǒng)所作的功與系統(tǒng)的始末狀態(tài)有關(guān)，而且還與路徑有關(guān)，是一個(gè)過(guò)程量。氣體膨脹時(shí)，系統(tǒng)對(duì)外界作功氣體壓縮時(shí)，外界對(duì)系統(tǒng)作功作功是改變系統(tǒng)內(nèi)能的一種方法本質(zhì)：通過(guò)宏觀(guān)位移來(lái)完成的：機(jī)械運(yùn)動(dòng)→分子熱運(yùn)動(dòng)VOPdVV1V2三、熱量1、例子外界向系統(tǒng)傳遞熱量，系統(tǒng)內(nèi)能增大：加熱水系統(tǒng)向外界傳遞熱量，系統(tǒng)內(nèi)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(zhì)外界與系統(tǒng)相互交換熱量。分子熱運(yùn)動(dòng)→分子熱運(yùn)動(dòng)說(shuō)明熱量傳遞的多少與其傳遞的方式有關(guān)熱量的單位：焦耳7.3內(nèi)能熱力學(xué)第一定律一、內(nèi)能熱力學(xué)系統(tǒng)的能量取決于系統(tǒng)的狀態(tài)——內(nèi)能。說(shuō)明1、理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)2、熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能的變化是通過(guò)系統(tǒng)與外界交換熱量或外界對(duì)系統(tǒng)作功來(lái)實(shí)現(xiàn)的3、系統(tǒng)內(nèi)能的增量只與系統(tǒng)起始與終了位置有關(guān)，而與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過(guò)程無(wú)關(guān)二、熱力學(xué)第一定律1、內(nèi)容系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加，另一部分使系統(tǒng)對(duì)外界作功2、本質(zhì)熱力學(xué)第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒定律，對(duì)任何物質(zhì)的任何過(guò)程都成立。對(duì)于微小過(guò)程3、說(shuō)明符號(hào)規(guī)定：熱量Q：正號(hào)——系統(tǒng)從外界吸收熱量負(fù)號(hào)——系統(tǒng)向外界放出熱量功W：正號(hào)——系統(tǒng)對(duì)外界作功負(fù)號(hào)——外界對(duì)系統(tǒng)作功內(nèi)能ΔE：正號(hào)——系統(tǒng)能量增加負(fù)號(hào)——系統(tǒng)能量減小計(jì)算中，各物理量的單位是相同的，在SI制中為J三、熱力學(xué)第一定律的另一種表述1、第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)不需要外界提供能量，也不需要消耗系統(tǒng)的內(nèi)能，但可以對(duì)外界作功。2、熱力學(xué)第一定律的另一種表述第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律，因而是不可能實(shí)現(xiàn)的7.4理想氣體的等體過(guò)程和等壓過(guò)程摩爾熱容一、等體過(guò)程定體摩爾熱容1、等體過(guò)程特點(diǎn)：理想氣體的體積保持不變，V=const過(guò)程曲線(xiàn)：在PV圖上是一條平行于p軸的直線(xiàn)，叫等體線(xiàn)。內(nèi)能、功和熱量的變化特征：系統(tǒng)對(duì)外界不作功，系統(tǒng)吸收的熱量全部用來(lái)增加系統(tǒng)的內(nèi)能。過(guò)程方程：2、定體摩爾熱容定義1mol理想氣體在等體過(guò)程中，溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量，稱(chēng)為該物質(zhì)的定體摩爾熱容。等體過(guò)程的熱量公式系統(tǒng)吸收熱量系統(tǒng)放出熱量氣體內(nèi)能的增量二、等壓過(guò)程定壓摩爾熱容1、等壓過(guò)程特點(diǎn)：理想氣體的壓強(qiáng)保持不變，p=const過(guò)程曲線(xiàn)：在PV圖上是一條平行于V軸的直線(xiàn)，叫等壓線(xiàn)。內(nèi)能、功和熱量的變化特征：系統(tǒng)吸收的熱量一部分用來(lái)增加系統(tǒng)的內(nèi)能，另一部分使系統(tǒng)對(duì)外界作功。過(guò)程方程：2、定壓摩爾熱容定義1mol理想氣體在等壓過(guò)程中，溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量，稱(chēng)為該物質(zhì)的定壓摩爾熱容。等壓過(guò)程的熱量公式系統(tǒng)吸收熱量系統(tǒng)放出熱量氣體內(nèi)能的增量3、關(guān)于摩爾熱容的討論Mayer公式推導(dǎo)理想氣體的定壓摩爾熱容比定體摩爾熱容大一個(gè)恒量R在等體過(guò)程中，氣體吸收的熱量全部用來(lái)增加系統(tǒng)的內(nèi)能等壓過(guò)程中，氣體吸收的熱量，一部分用來(lái)增加系統(tǒng)的內(nèi)能，還有一部分用于氣體膨脹時(shí)對(duì)外界作功氣體升高相同的溫度，在等壓過(guò)程吸收的熱量要比在等溫過(guò)程中吸收的熱量多。摩爾熱容比氣體理論值實(shí)驗(yàn)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(zhì)溫度升高1K所需要的熱量稱(chēng)為