热力学第一定律_习题课ppt课件

.,热力学第一定律主要讨论封闭的热力学系统在状态变化时热力学能、热和功之间相互转化所遵循的规律。介绍了热力学的基本概念，如系统、状态、状态函数、过程、可逆过程等；通过系统在状态一定和状态变化时所涉及的能量因素，得出了热力学第一定律的文字表述和数学表达式；讨论了不同过程中热和功的计算方法；介绍了热力学第一定律对理想气体和实际气体的具体应用。,一、基本思路,热力学第一定律小结,.,注意：,热和功是封闭系统在状态变化时与环境传递能量的两种方式，都与过程有关，故称过程量；,热力学能是状态函数，是系统内部所具有的能量。热和功与热力学能虽然性质不同，但它们均是不同的能量形式，通过热力学第一定律U=Q+W，将封闭系统变化过程中热、功和热力学能改变联系了起来。,焓是由系统的热力学能、体积和压力组合得到的一个状态函数，在一定条件下，系统的焓变与过程的热相联系，焓及其有关公式可以看成是热力学第一定律的扩展。,.,通过盖吕萨克一焦耳实验，说明理想气体的热力学能和焓只是温度的函数；,通过焦耳一汤姆逊实验讨论了第一定律对实际气体的应用，定义了焦耳一汤姆逊系数；,热化学是第一定律对于化学反应系统的应用，据此可以计算反应的热效应。通常利用热化学数据及赫斯定律可直接求得298.15K下反应的热效应；,应用基尔霍夫定律可计算不同温度下反应的热效应。,.,二、重要公式,1.U和H的计算,(1)简单状态变化过程,(a)理想气体,对封闭系统的任何过程,.,(b)实际气体,范德华气体等温过程,(2)相变过程,等温等压可逆相变过程,对不可逆相变过程，可以设计一可逆相变过程计算U和H。,.,(3)无其它功的化学变化过程,等温等压凝聚相反应,绝热等容反应,绝热等压反应,等温等压反应,等温等压理想气体反应,.,2.体积功W的计算,等温等压1g相变过程(设蒸气为理想气体),.,理想气体绝热过程,等温等压化学变化,理想气体多方可逆过程,.,3.Q的计算,(1)简单状态变化过程,(2)等温等压相变过程,.,框架图,.,例3从同一始态A出发，经历三种不同途径到达不同的终态：经等温可逆过程从AB；经绝热可逆过程从AC；经绝热不可逆过程从AD。试问：（a）若使终态的体积相同，D点应位于BC虚线的什么位置，为什么？（b）若使终态的压力相同，D点应位于BC虚线的什么位置，为什么，参见图,.,解：可知绝热可逆膨胀的功大于不可逆过程。绝热过程中，W=CV(T1-T2)，由于是膨胀过程，所以W|WIR|，所以T2IRT2R。又根据理想气体状态方程pV=nRT，当V2相同时p2IRp2R。当p2相同时，V2IRV2R。绝热膨胀在实际过程中是一个降温过程，与等温可逆相比，T2IRp2IR；当p2相同时，V2等V2IR。,.,22.在298K时，有一定量的单原子理想气体(CV,m=1.5R),从始态20101.325kPa及20dm3经下列不同过程，膨胀到终态压力为101.325kPa，求各过程的U，H，Q及W。(1)等温可逆膨胀；(2)绝热可逆膨胀；(3)以=1.3的多方程可逆膨胀。试在p-V图上画出三种膨胀功的示意图，并比较三种功的大小。,.,解：(1)等温可逆过程，则U=0，H=0,.,(2)绝热可逆过程：Q=0,.,.,(3)多方可逆过程：,联立上两式得：,.,.,.,上述三种不同过程的膨胀功示于图始态p1=20p(p=101325Pa)，V1=0.02m3终态p2=p,(1)等温可逆过程：,(2)绝热可逆过程：,.,(3)多方可逆过程：,曲线下的面积就是功值，由此见功的大小次序与计算值相同：|W(1)|W(3)|W(2)|,.,典型例题,(2)始态同上，当外界压力恒为50kPa时，将水定温蒸发，然后将此1mol，373K，50kPa的水蒸气恒温可逆加压变为终态(373K、101325Pa)的水蒸气，求此过程总的Q、W、U和H。,(3)如果将1mol水(373K，101325Pa)突然移到恒温373K的真空箱中，水蒸气充满整个真空箱，测其压力为101325Pa，求过程的Q、W、U和H。比较这三种结果，说明什么问题。,.,解：,(1)过程为可逆相变化Qp=H=1mol40.67kJmol1=40.67kJW=p(VgVl)pVg=nRT=1mol8.314Jmol1K1373K=3.102kJU=Q+W=(40.673.102)kJ=37.57kJ,.,(2)实际过程为不可逆相变，设计可逆过程如下：,始态、终态与过程(1)相同，故状态函数变化也相同，即H=40.67kJ，U=37.57kJ,.,W1=pe(VgVl)peVg=nRT=1mol8.314Jmol1K1373K=3.102kJW2=nRTln(p2/p1)=1mol8.314Jmol1K1373.15Kln(50kPa/101.325kPa)=2.191kJW=W1+W2=(3.102+2.191)kJ=0.911kJ,Q=U+W=37.57+(0.911)kJ=36.66kJ,.,(3)U和H值同(1)，这是因为(3)的始终态与(1)的始终态相同，所以状态函数的变化值亦同。该过程实际为向真空蒸发，故W=0，Q=U。,讨论：比较(1)、(2)、(3)的计算结果，表明三种变化过程的U及H均相同，因为U、H是状态函数，其改变与过程无关，只决定于系统的始、终态。而三种过程的Q及W其值均不同，因为它们不是系统的状态函数，是与过程有关的量，三种变化始态、终态相同，但所经历的途径不同，