5 1热力学第一定律

1、太原理工大学物理系,第五章,热力学基础,前一章从物质微观结构的观点出发，运用统计平,均的方法，讨论了大量气体分子热运动的规律,本章用能量的观点，从宏观上讨论物质状态变化,时，各种宏观性质之间的关系、宏观物理过程进行,的方向和限度。,热力学第一、第二定律,热力学过程,热力学系统从一个状态变化到另一,个状态,称为热力学过程,平衡态,1,一系列非,平衡态,平衡态,2,太原理工大学物理系,一、准静态过程,准静态过程,系统的每一个状态都无限接近于平,衡态的过程,理想化的过程,即准静态过程是由一系列,平衡态组成,的过程,准静态过程是一个,理想化,的过程，是实际过程的,近似,5-1,热力学第一定律,非静态过

2、程,当系统宏观变化很快，每一状态都是,非平衡态,太原理工大学物理系,快,非平衡态,缓慢,接近平衡态,非静,态过,程,准静态,过程,所以，实际过程仅当进行得,无限缓慢,时才可看作是,准静态过程,统一于,无限缓慢,矛盾,平衡即不变,过程即变化,只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是,平衡态,太原理工大学物理系,0,0,0,T,V,P,PVT,0,0,0,T,V,P,PVT,非静态过程,准静态过程,太原理工大学物理系,弛豫时间,系统由非平衡态到平衡态所需时间,怎样算“无限缓慢,过程进行时间,t,驰豫时间,定义,无限缓慢”,例如，实际汽缸的压缩过程,过程进行时间,t,0. 01,秒,驰豫时间,1

3、0,3,秒,可看作准静态过程,所以无限缓慢只是个,相对,的概念,太原理工大学物理系,p,2,V,2,p,1,V,1,p,V,准静态过程可以用,过程曲线,来表示,V,O,p,一个点,代表一个,平衡态,状态图,P,V,图,P,T,图,V,T,图,上,一条曲线,代表一个,准静态过程,太原理工大学物理系,二,功、热量、内能,改变系统状态的方式有两种,作功,传热,1,功,通过作功可以改变热力学系统的状态,计算一准静态过程中，气体的体积变化所做的功,u,F,l,d,设气体的压强,p,活塞面积,S,气体,作用在活塞上的力,pS,F,活塞移动,dl,距离时,气体作功,太原理工大学物理系,d,d,d,A,F,l

4、,pS,l,d,d,A,p,V,2,1,d,V,V,A,p,V,准静态过程（状态,1,到,状态,2,气体对外界,做,功与过程有关,太原理工大学物理系,气体体积由,V,1,变为,V,2,时，系统对外作功,2,1,d,V,V,A,p,V,在,P,V,图上可表示为过程曲线与横坐标轴之间的曲,边梯形的面积,P,V,1,2,2,V,O,1,V,气体体积,膨胀,A,0,系统对,外做,正功,气体体积,压缩,A0,系统对,外做,负功,太原理工大学物理系,功与过程曲线的位置有关，即与路经有关,功是,过程量,不是态函数,作功是通过,宏观,的,有规则,的运动（机械运,动,来完成的能量交换,分子的,有规则运动,能量和

5、分子的,无规则运动,能量,的转化和传递,通过作功改变系统内能的微观实质是,太原理工大学物理系,2,热量,系统,和外界之间存在,温差,时,就会有传热,热量传递也,可以改变系统的状态,2,T,2,1,T,T,Q,传热的微观本质：是分子的,无规则运动,能量从,高,温物体向,低,温物体传递,热量,传热过程中所传递的热运动能量的多少,传热通过分子的,无规则运动,来完成的能量交换,Q,0,系统从外界吸热,Q,0,系统向外界放热,太原理工大学物理系,功与热量的异同,1,热量和功都是系统状态变化过程中伴随传递的,能量，都与状态变化的中间过程有关，都是,过程,量,而,不是态函数,3,功与热量的物理本质不同,1,

6、卡,4.18 J,1 J = 0.24,卡,2,等效性：改变系统热运动状态作用相同,定向运动能量,无规运动能量,无规运动能量,无规运动能量,作功,传热,太原理工大学物理系,3,内能,在一般情况下，内能只取决于系统的状态,可以表示为,T,V,的函数,对于,理想气体,内能仅是温度的函数,V,T,E,E,T,E,E,对于刚性理想气体分子,RT,i,M,M,E,mol,2,太原理工大学物理系,系统内能的增量只与系统起始和终末状态有关,与系统所经历的过程无关,1,2,0,a,b,a,E,ab,E,const,2,a,b,1,p,V,o,2,a,b,1,p,V,o,2,1,2,1,2,T,T,R,i,M,

7、M,E,E,mol,太原理工大学物理系,当热力学系统的状态变化时，可以通过,作功,和,传热,等方式改变系统的,内能,那么，在一个热力学过程,中,系统从外界吸收的热量,一部分使系统的内能增,加,一部分使系统对外界作功,2,1,d,V,V,V,p,E,Q,准静态过程,微小过程,2,1,Q,E,E,A,四、热力学第一定律,对于任意过程,dA,dE,dQ,太原理工大学物理系,1,热力学第一定律是热现象中能量转换和守恒定,律。第一类永动机是不可能制成的,2,热力学第一定律适用于,任何系统,的,任何过程,非,准静态过程亦成立,是自然界的普遍规律,1,2,E,E,系统吸热,系统放热,内能增加,内能减少,系统

8、对外界做功,外界对系统做功,Q,A,热力学第一定律的符号规定,讨论,太原理工大学物理系,例,1,系统从,ABA,经历一个循环，且,E,B,E,A,1,试确定,AB,以及,BA,的功,A,的符号及含义,解,1)A B,气体膨胀,B A,气体压缩,A,1,0,气体对外做功,A,2,0,外界对气体做功,2)Q,的符号如何确定,吸热,2)A B,太原理工大学物理系,放热,3)A B A,总功,B A,3,循环总功和热量的正负,B,A,E,E,太原理工大学物理系,例,2,在,p-v,图上,1,系统的某一平衡态用,来表示,一个点,2,系统的某一准静态过程用,来表示,一条曲线,3,系统的某一准静态循环过程用,来表示,一条闭合曲线,太原理工大学物理系,例,3,搅拌盛在绝热容器中的液体，液体,温度在升高，若将液体看做系统，则,1,外界传给系统的热量,2,外界对系统做的功,3,系统的内能增量,等于零，大于零还是小于零