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热力学第一定律的应用1 理想气体 Gay-lussac 和Joule实验Gay-lussac 和Joule分别于1807和1847做了气体向真空膨胀的实验。装置如图所示。观察气体由A向真空容器B的膨胀，达到平衡后，没有观察到水浴温度的变化。同时气体对外也没有做功。即W=0, Q=0, DU=0。结论：气体在自由膨胀中，内能不变。根据这个实验，提出了理想气体的焦耳定律：“物质的量固定的气体，它的内能只是温度的函数，而与压力和体积无关。对于理想气体，等温条件下，PV=常数，可得：焓也只是温度的函数。同理，Cp和CV也仅是温度的函数。 理想气体的Cp-CV利用热容的定义，U、H的全微分性质和理想气体的状态方程，可以得到证明：理想气体Cp-Cv= nR2 可逆过程体积功指体系反抗外力作用膨胀而与环境的功交换。 功是一个过程量。考虑体系从状态(P1,V1)变化到(P2,V2)经4个不同的体积膨胀过程，所做功分别为：自由膨胀(真空膨胀)：外压为0，功We1=0。体系膨胀但没有功。抗恒外压膨胀：外压Pe=P2 不变，体积变化为V2-V1，We2= -P2 (V2-V1)。膨胀过程，V2V1，W为负值，表示体系对环境做功。抗二次恒外压：抗外压Pe1，体积变化V-V1，再抗恒外压Pe=P2 ，体积变化V2-V。做功We3= -Pe1(V-V1)-P2(V2-V)。准静态膨胀：环境压强比体系低一个微小的压差，Pe = P-dP，体系发生一个微小的体积膨胀dV。当这样的微小的外压降低连续发生，直至外压Pe=P2 ，相应体积从V1变到V2时，过程所做功为其中忽略了2阶微小变化dPdV。若气体近似按理想气体处理，可得： 过程不同，体系所做功也不同。比较四个功的绝对值，可以看到：|We4|We3|We2|We1|。即准静态过程体系对外做功最大。功的几何意义是P-V曲线所围面积。下图给出膨胀功的相对结果。同理，对于压缩过程，体系状态从(P2,V2)变到(P1,V1)。不同过程的压缩功分别为： 以P1恒外压压缩，We2= -P1(V1-V2) 二次出恒外压压缩，We3=-P(V-V2)-P1(V1-V) 准静态压缩， 过程功的绝对值为：|We4|We3|Tc，所有热机效率小于1。 根据上述讨论可以得到如下结论：(1) 工作于两个热源之间的卡诺热机的效率只于两个热源的温度有关，而与工作介质无关。(2) 若两个热源温度相同，热机效率为0。即热不能转变为功。(3) h0，温度随压力降低而下降；0，节流使气体制冷。在转换点右侧，0的致冷区和的0的致温区。当气体的温度与压力处于致冷区时，经节流
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