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Office：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在無功過程中，

內(nèi)能變化等于過程熱，

這表明內(nèi)能增量不一定與熱力學(xué)過程無關(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)所做的功與途徑無關(guān)C氣體在絕熱膨脹或絕熱壓縮過程中，

其內(nèi)能的變化值與過程完成的方式無關(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第一定律在相變過程中的應(yīng)用第二章熱力學(xué)第一定律6/36常見的功機(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

幾種不同過程功的計(jì)算：氣體自由膨脹（氣體向真空膨脹）：恒外壓過程：

恒壓過程：

恒容過程：

液體恒壓蒸發(fā)過程：

液體向真空蒸發(fā)過程：

體積功計(jì)算公式體積功的計(jì)算等壓過程？

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)，這樣的膨脹過程是無限緩慢的，每一步都接近于平衡態(tài)。所作的功為：

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

始態(tài)終態(tài)14/361.一次等外壓壓縮

不同過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)過某一過程從狀態(tài)1變到狀態(tài)2后，如果能使系統(tǒng)和環(huán)境都恢復(fù)到原來的狀態(tài)而未留下任何永久性的變化，則該過程稱為熱力學(xué)可逆過程熱力學(xué)可逆過程：

21可逆過程如果一個(gè)系統(tǒng)在其變化過程中所經(jīng)歷的每一中間狀態(tài)都無限接近于熱力學(xué)平衡態(tài)，這個(gè)過程稱為準(zhǔn)平衡過程或準(zhǔn)靜態(tài)過程氣體活塞砂子準(zhǔn)靜態(tài)膨脹過程若沒有因摩擦等因素造成能量的耗散，可看作為可逆過程準(zhǔn)靜態(tài)過程：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：

可逆過程特點(diǎn)20/36可逆過程幾種典型的可逆過程可逆化學(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)于可逆過程和不可逆過程的判斷，其中正確的是可逆熱力學(xué)過程一定是準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程一定是可逆過程不可逆過程就是不能相反方向進(jìn)行的過程凡有摩擦的過程，一定是不可逆過程。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)

等容過程

無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

等壓過程

無非體積功

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涉及焓的下列說法中正確的是單質(zhì)的焓值均等于零A在等溫過程中焓變?yōu)榱鉈在等溫可逆過程中焓變?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)在非等壓過程中加熱，吸熱Q，使溫度從T1升至T2，則此過程的焓增量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)：簡單變溫過程等壓熱容

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)沒有對(duì)外做功

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，該過程的

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