物理学热力学第一定律VIP

,热力学第一定律,热力学简介,1.研究化学变化当中的能量转换（如热效应、光效应、电效应、声效应等），作定量计算并加以利用。可以计算反应中心区的最高温度。,例反坦克导弹,简单地说化学热力学是从能量变化的角度出发，来观察、分析、预测有限的宏观系统中所进行的物理及化学变化的一门学科，包括两方面内容：,热力学简介,2.研究化学变化的方向和限度以及产物的稳定性。,例1石墨金刚石,例2高炉炼铁,并不是每一个拟想中的化学反应方程式都是可以实际进行的；也不是每一个可发生的化学反应都能进行到底。,如何预测某个人为设计的反应进行的方向和限度，而不必事先借助于实验验证呢？,热力学简介,3.化学实验及化工生产中的许多分离提纯工艺的理论基础是由热力学提供的。,例1萃取,例2区域熔炼,例3重结晶,热力学简介,4.热力学与自然现象和生活实践有密切联系。,例1树木的高度,例2冰棍的浓度,热力学简介,热力学提供了这样一种原则和方法，通过已有的知识和必要的数据、图表，即可预测某一未知反应的能量效应以及能否按理想方向进行，进行到什么程度为止，产物的最大产率可以达到多少，如何避免副反应，产品的稳定性如何，等等。这些问题十分重要，它可以使读者获得学习和研究工作的主动性。过去所学的知识都有一定的被动性，简单地承认和熟记前人的成果。现在可以主动去设计和预测，这对于做科研工作当然是非常重要的。,热力学简介,爱因斯坦曾经说：“一种理论的前提简单性越大，它所涉及事物的种类越多，它的应用范围越广，它给人们的印象越深。因此，经典热力学对我造成了深刻的印象。我确信，这是在它的基本概念可以应用的范围内，决不会被推翻的，唯一具有普遍内容的物理理论。”,热力学应用范围和局限性,1只应用于有限的宏观系统，至少包含106个粒子；但不能扩大到整个宇宙。,2不考虑物质的微观结构和反应进行的机理历程；,3只给出可能性和反应程度，不解决现实性问题；,4没有时间的坐标，没有“速度”的概念。,2.1热力学基本概念及术语,系统与环境状态和状态函数过程与途径功和热热力学能,热力学有严密的逻辑性，为了对其内容有准确无误的理解，首先必须对某些概念给以准确的描述。,系统（System）与环境（surroundings）,系统（System）要研究的那部分物质（研究对象）,环境（surroundings）系统之外与之相连系的那部分物质(与系统有相互作用的部分),系统（System）与环境（surroundings）,系统分为三类：敞开系统，封闭系统，隔离系统。,2020/5/3,系统（System）与环境（surroundings）,注意,系统与环境的选择不是绝对的，随着研究内容的不同，选择方法也不同，所以选取系统有一定的任意性。,选取系统有一定的任意性还表现在选取时不受机械联系和外观上是否为一体的限制。,电阻丝+水,电阻丝+电池,水+电阻丝+电池,2020/5/3,系统（System）与环境（surroundings）,注意,选择系统是一个调查研究和抓主要矛盾的过程。在处理一个问题之前必须首先确定，虽然选取系统有一定任意性，但是系统一旦选定，则在完成某一变化的全过程中就不能改变。确定系统是解决问题的第一步，这个步骤很重要，如果选择不好，就不容易下手做题。,2020/5/3,系统（System）与环境（surroundings）,问题1热力学系统是否考虑外场的影响？（电磁场、重力场、离心力场等）,一般不考虑外场的影响（如重力场引起密度不同，压力不均等）,问题2界面是否由物质组成，有无物理化学性质？,本质上，界面是非物质的，是人为设想的几何面，没有物理和化学性质。界面的作用有两个：第一它将系统与环境隔开；第二系统与环境之间进行物质与能量交换必须是通过界面进行。,2020/5/3,系统（System）与环境（surroundings）,问题3绝热系统如何实现？,严格讲不能实现（因为没有完全绝热材料）。实际：极短时间内完成的变化中，热总来不及交换的系统可看作绝热系统（如爆炸、燃烧等）,问题4孤立系统是否存在？,完全的孤立系统实际上不存在。也没有研究的价值，这只是一个科学抽象。实践中：把受环境影响小的系统近似看成孤立系统。,2020/5/3,状态和状态函数,在一定条件下，一个选定的系统在经历各种变化和相当长的时间之后，总可以达到一个动态平衡。此时系统内各部分的物理性质在宏观上是均匀一致的，并且不再随时间的延长而改变，这种情况称为系统处于一个确定状态。,状态,在此：状态=定态=平衡态,2020/5/3,状态和状态函数,状态,=f（宏观性质）,系统的一些性质，其数值仅取决于系统所处的状态，而与系统的历史无关；它的变化值仅取决于系统的始态和终态，而与变化的途径无关。具有这种特性的物理量称为状态函数（statefunction）。,用状态函数可描述状态,在此物理量=物理性质=状态变量=状态函数,状态函数（statefunction）,2020/5/3,状态和状态函数,不是。事实上各种性质之间是有内在联系的，当其中某几个确定之后，其它的也就确定不变了，于是系统状态也就被唯一确定。,经验证明：,封闭系统，简单状态变化：两个状态函数便可确定,（常用温度T和压力p）,例物质的量为n的某物质，状态即可由T、p来确定,2020/5/3,状态和状态函数,不是。事实上各种性质之间是有内在联系的，当其中某几个确定之后，其它的也就确定不变了，于是系统状态也就被唯一确定。,复杂系统，确定状态时需更多状态函数多变量公理,总之，一个状态函数确定不了一个状态。,2020/5/3,状态和状态函数,状态函数的分类,（1）广度量（广度性质）具有加和性例n，m，V，Cp，U等,（2）强度量（强度性质）不具有加和性例T，p，等,注意广度量/广度量=强度量例V/n=Vm,广度量强度量=广度量例V=nVm,2020/5/3,状态和状态函数,状态函数的基本性质,（1）状态函数是单值、连续、可微的函数；,（2）增量=末态值-始态值；（3）在状态图上是连续变化的单值平滑曲线。,2020/5/3,状态和状态函数,状态函数的概念是初学者要重点理解的概念，有四句话能帮助理解,状态函数的特性异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。,2020/5/3,状态和状态函数,（归一化关系）,状态函数的数学性质：,那么（环积分为零显示其单值性）,（尤拉关系）,数学上可证明式等价，而且与状态函数互为充分必要条件,2020/5/3,过程与途径,系统从一个状态A成为另一个状态B的的变化称为“过程”。完成过程的具体方式称为“途径”。,2020/5/3,过程与途径,例1,例2,2020/5/3,过程与途径,1恒温过程（T=T环境=定值)(dT=0)等温过程（T始=T末=T环境=定值）,2恒压过程（p=p环境=定值）(dp=0)等压过程（p始=p末=p环境=定值）,3恒容过程（V=定值）(dV=0)等容过程（V始=V末=定值）,4绝热过程(Q=0),5循环过程（始终态为同一态）,变化类型单纯pVT变化，相变化和化学变化三类,2020/5/3,过程与途径,有时过程与途径并不严格区分；,注意,有时并不一定给出过程进行的条件，要计算这种过程中某些状态函数的变化值，常需要设计途径。,这种利用“状态函数变化只取决于始末态而与途径无关”的方法称为状态函数法。,2020/5/3,热（heat）,定义：系统与环境之间因温差而传递的能量称为热，用符号Q表示。,热和功是系统状态发生变化过程中与环境交换能量的两种形式,热不是状态函数，不具有全微分性质。微量热记作Q，一定量热记作Q，而不能记作Q。其数值与具体过程有关，称作过程函数。不能任意假设途径求算过程实际热。,微观上：无序运动程度不同而交换的能量,2020/5/3,功（work）,定义：系统与环境之间传递的除热以外的其它能量都称为功，用符号W表示。,功的形式：体积功（膨胀功）和非体积功,W是过程函数，而不是状态函数。其数值与具体过程有关，微量功用符号W表示。,2020/5/3,功（work）,体积功（膨胀功）的计算,根据功的定义,2020/5/3,功（work）,体积功（膨胀功）的计算,定义式,当p0，环境对系统作功。,当ppamb,系统体积增大时,dV0，W0，系统对外作功，dU0经节流膨胀后，气体温度降低（致冷）；,a时，,0经节流膨胀后，气体温度升高；,p=a时，,=0经节流膨胀后，气体温度不变。,在常温下，一般气体的均为正值。例如，空气的即压力下降，气体温度下降。,2020/5/3,曲线上各点=0（转换点）,4.焦耳汤姆逊系数正负号的热力学分析,某压力下，=0的温度称为转换温度，若以转换温度为纵坐标，压力为横坐标作图可得转换曲线。,2020/5/3,4.焦耳汤姆逊系数正负号的热力学分析,工作物质（即筒内的气体）不同，转化曲线的T，p区间也不同。,例如，的转化曲线温度高，能液化的范围大；,而和则很难液化。,2020/5/3,第二章基本原理及公式,1.热力学基本概念,系统和环境,状态和状态函数,系统的宏观性质,热力学平衡态,2020/5/3,第二章基本原理及公式,过程和途径,可逆过程与不可逆过程,单纯pVT变化过程,相变化过程,化学变化过程,1.热力学基本概念,2020/5/3,第二章基本原理及公式,2.主要基础热数据,摩尔定容热容（）,摩尔定压热容（）,标准摩尔生成焓,标准摩尔燃烧焓,摩尔相变焓,2020/5/3,第二章基本原理及公式,3.热力学第一定律,热力学能,焓,恒容热（QV）,恒压热（QP）,2020/5/3,第二章基本原理及公式,4.热力学第一定律的应用,单纯pVT变化（）,相变化（时）,2020/5/3,第二章基本原理及公式,4.热力学第一定律的应用,单纯pVT变化（）,相变化（时）,在化学变化中,2020/5/3,第二章基本原理及公式,5.节流膨胀与焦-汤效应,2020/5/3,一些主要公式的适用条件,2020/5/3,一些主要公式的适用条件,2020/5/3,概念辨析,1状态固定后状态函数也固定，反之亦然。,2状态改变后状态函数一定都改变。,3因为，、，所以是特定条件下的状态函数。,4气缸内有一定的理想气体，反抗一定的外压做绝热膨胀，则。,对,不对,不对,不对,2020/5/3,概念辨析,5在等压下用搅拌器快速搅拌液体，使其温度升高，这时液体。,6理想气体绝热可逆和不可逆过程的功都可用公式计算，两种过程的功是否一样。,不对,不一样,7水蒸气的生成热等于氢气燃烧热还是氧气燃烧热？,8使用基希霍夫定律的计算公式应满足什么条件？,2020/5/3,难点析疑,1.系统与环境（例一）,2.系统与环境（例二）,3.各过程中状态函数的判断,4.系统性质和系统的状态函数,2020/5/3,系统与环境（例一）,指定系统讨论,1、该系统属于何种系统？,2、该系统与环境间有无能量交换？,3、热力学第一定律对此过程如何应用？,4、热、功和U的变化如何？,电阻丝+水,电阻丝+电池,水+电阻丝+电池,1敞开系统2有能量交换3不适用4U增加、Q=0、系统得电功,1封闭系统2有能量交换3适用4U0H0,W0Q0U0H0,在有可滑动活塞的非绝热容器中等压反应。,2020/5/3,各过程中状态函数的判断,在绝热的刚性容器中反应。,W=0Q=0U=0H=0,4、在非绝热的刚性容器中反应,W=0Q0U0H0,2020/5/3,各过程中状态函数的判断,5理想气体经焦耳汤姆生节流过程,W=0Q=0U=0H=0,6氢气和氧气在绝热的刚性容器中爆鸣生成水，电火花能量不计。,W=0Q=0U=0H0,2020/5/3,系统性质和系统的状态函数,状态性质强度量和广度量,根据您的判断，将下述物理量按“强度量”或“广度量”分类：,PTVUHGSA,2020/5/3,各过程中状态函数的判断,状态函数的特点,异途同归值变相等周而复始其值不变而且要满足单值、连续、可微,2020/5/3,各过程中状态函数的判断,思考题1,2020/5/3,各过程中状态函数的判断,思考题2,2020/5/3,各过程中状态函数的判断,思考题3,2020/5/3,解答热力学习题的一般方法,（1）认真阅读习题，明确题目的已知条件和所求的物理量，判断是否为封闭系统，并确定哪是系统，哪是环境。,（2）画出框图，标明系统始、末态的物质种类、物质的量、相态及p、V、T等。,（3）判断过程的特点，即：是pVT变化，还是相变化或化学变化；是恒温、恒容、恒压还是绝热过程；是可逆过程还是不可逆过程。,2020/5/3,解答热力学习题的一般方法,（5）如何假设中间状态：,A有化学反应时，一般设为298K、标准态的反应,B有相变时，一般设为可逆相变,C无相变和化变时，以保证计算简便