第15讲 热力学第一定律

大学物理电子教案第15讲热力学第一定律7.1气体物态参量平衡态理想气体物态方程7.2准静态过程功热量7.3内能热力学第一定律7.4理想气体的等体过程和等压过程摩尔热容塔里木大学教学课件第7章热力学基础热力学是研究热现象的宏观理论——根据实验总结出来的热力学定律，用严密的逻辑推理的方法，研究宏观物体的热力学性质。热力学不涉及物质的微观结构，它的主要理论基础是热力学的三条定律。本章的内容是热力学第一定律和热力学第二定律。7.1气体物态参量平衡态理想气体物态方程一、气体物态参量1、系统与外界热力学系统（简称系统）在热力学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒子组成的物体或物体系称为热力学系统。系统的外界（简称外界）能够与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体，称为外界。2、气体的物态参量把用来描述系统宏观状态的物理量称为状态参量。气体的宏观状态可以用V、P、T描述体积V——几何参量压强p——力学参量温度T——热力学参量3、说明(1)气体的p、V、T是描述大量分子热运动集体特征的物理量，是宏观量，而气体分子的质量、速度等是描述个别分子运动的物理量，是微观量。(2)根据系统的性质，可能还需要引入化学参量、电磁参量等。二、p、V、T的单位1、气体的体积V气体的体积V是指气体分子无规则热运动所能到达的空间。对于密闭容器中的气体，容器的体积就是气体的体积。单位：m32、压强p压强P是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等于容器壁上单位面积所受到的正压力。p=F/S单位：

1Pa=1N.m-2标准大气压1atm=76cm.Hg=1.013×105Pa3、温度T温度的高低反映分子热运动激烈程度。(1)热力学温标T，单位：K(2)摄氏温标t，单位：0C00C——水的三相点温度1000C——水的沸腾点温度(3)华氏温标F，单位0F320F——水的三相点温度2120F——水的沸腾点温度关系：T=273.15+tF=9t/5+32三、平衡态一个系统与外界之间没有能量和物质的传递，系统的能量也没有转化为其它形式的能量，系统的组成及其质量均不随时间而变化，这样的状态叫做热力学平衡态。1、定义2、说明（1）平衡态是一个理想状态；（2）平衡态是一种动态平衡；（3）对于平衡态，可以用pV图上的一个点来表示。

pV如果两个系统分别与处于确定状态的第三个系统达到热平衡，则这两个系统彼此也将处于热平衡。3、热力学第零定律或热平衡定律热力学第零定律表明，处在同一平衡态的所有热力学系统都有一个共同的宏观性质，这个决定系统热平衡的宏观性质的物理量可以定义为温度。四、理想气体的物态方程1、物态方程在p、V、T三个状态参量之间一定存在某种关系，即其中一个状态参量是其它两个状态参量的函数，如T=T(P,V)——一定量气体处于平衡态时的物态方程2、理想气体的定义在温度不太低(与室温相比)和压强不太大(与大气压相比)时，有三条实验定律Boyle-Mariotte定律等温过程中pV=const

Gay-Lussac定律等体过程中p/T=const

Charles定律等压过程中V/T=const

Avogadro定律：在同样的温度和压强下，相同体积的气体含有相同数量的分子。在标准状态下，1摩尔任何气体所占有的体积为22.4升。理想气体的定义：在任何情况下都遵守上述三个实验定律和Avogadro定律的气体称为理想气体。3、理想气体的物态方程形式1m——气体质量M——气体摩尔质量R=8.31J·mol-1·K-1——摩尔气体常量形式27.2准静态过程功热量一、准静态过程1、热力学过程当系统的状态随时间变化时，我们就说系统在经历一个热力学过程，简称过程。推进活塞压缩汽缸内的气体时，气体的体积、密度、温度或压强都将变化2、非静态过程在热力学过程的发生时，系统往往由一个平衡状态经过一系列状态变化后到达另一平衡态。如果中间状态为非平衡态，则此过程称非静态过程。为从平衡态破坏到新平衡态建立所需的时间称为弛豫时间。3、准静态过程如果一个热力学系统过程在始末两平衡态之间所经历的之中间状态，可以近似当作平衡态，则此过程为准静态过程。准静态过程只有在进行的“无限缓慢”的条件下才可能实现。对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间远远大于弛豫时间才可近似看作准静态过程。说明：系统的准静态变化过程可用pV图上的一条曲线表示，称之为过程曲线。二、功当气体作无摩擦的准静态膨胀或压缩时，为了维持气体的平衡态，外界的压强必然等于气体的压强。系统对外界所作的功等于pV

图上过程曲线下面的面积说明系统所作的功与系统的始末状态有关，而且还与路径有关，是一个过程量。气体膨胀时，系统对外界作功气体压缩时，外界对系统作功作功是改变系统内能的一种方法本质：通过宏观位移来完成的：机械运动→分子热运动VOPdVV1V2三、热量1、例子外界向系统传递热量，系统内能增大：加热水系统向外界传递热量，系统内能减小。2、定义系统与外界之间由于存在温度差而传递的能量叫做热量。3、本质外界与系统相互交换热量。分子热运动→分子热运动说明热量传递的多少与其传递的方式有关热量的单位：焦耳7.3内能热力学第一定律一、内能热力学系统的能量取决于系统的状态——内能。说明1、理想气体的内能仅是温度的函数2、热力学系统内能的变化是通过系统与外界交换热量或外界对系统作功来实现的3、系统内能的增量只与系统起始与终了位置有关，而与系统所经历的过程无关二、热力学第一定律1、内容系统从外界吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另一部分使系统对外界作功2、本质热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒定律，对任何物质的任何过程都成立。对于微小过程3、说明符号规定：热量Q：正号——系统从外界吸收热量负号——系统向外界放出热量功W：正号——系统对外界作功负号——外界对系统作功内能ΔE：正号——系统能量增加负号——系统能量减小计算中，各物理量的单位是相同的，在SI制中为J三、热力学第一定律的另一种表述1、第一类永动机不需要外界提供能量，也不需要消耗系统的内能，但可以对外界作功。2、热力学第一定律的另一种表述第一类永动机是不可能造成的。第一类永动机违反了能量守恒定律，因而是不可能实现的7.4理想气体的等体过程和等压过程摩尔热容一、等体过程定体摩尔热容1、等体过程特点：理想气体的体积保持不变，V=const过程曲线：在PV图上是一条平行于p轴的直线，叫等体线。内能、功和热量的变化特征：系统对外界不作功，系统吸收的热量全部用来增加系统的内能。过程方程：2、定体摩尔热容定义1mol理想气体在等体过程中，温度升高1K时所吸收的热量，称为该物质的定体摩尔热容。等体过程的热量公式系统吸收热量系统放出热量气体内能的增量二、等压过程定压摩尔热容1、等压过程特点：理想气体的压强保持不变，p=const过程曲线：在PV图上是一条平行于V轴的直线，叫等压线。内能、功和热量的变化特征：系统吸收的热量一部分用来增加系统的内能，另一部分使系统对外界作功。过程方程：2、定压摩尔热容定义1mol理想气体在等压过程中，温度升高1K时所吸收的热量，称为该物质的定压摩尔热容。等压过程的热量公式系统吸收热量系统放出热量气体内能的增量3、关于摩尔热容的讨论Mayer公式推导理想气体的定压摩尔热容比定体摩尔热容大一个恒量R在等体过程中，气体吸收的热量全部用来增加系统的内能等压过程中，气体吸收的热量，一部分用来增加系统的内能，还有一部分用于气体膨胀时对外界作功气体升高相同的温度，在等压过程吸收的热量要比在等温过程中吸收的热量多。摩尔热容比气体理论值实验值CV,mCP,mγCV,mCP,mγHe12.4720.781.6712.6120.951.66Ne12.5320.901.67H220.7820.091.4020.4728.831.41N220.5628.881.40O221.1629.611.40H2O24.9333.241.3327.836.21.31CH427.235.21.30CHCl363.772.01.13三、比热容1、热容：使物质温度升高1K所需要的热量称为