章热力学第一定律

第12章热力学第一定律第1节热力学第零定律

如果物体A和物体B能分别与物体C的同一状态处于热平衡，那么当物体A与物体B放在一起时，两者也必然处于平衡态，即两者温度相同。要判断两物体温度是否相同，并不需要两者直接接触，引入“第三者”加以“沟通”就可以。这个“第三者”就是温度计。利用温度计就可以定义温度的数值了，为此，选定一种物质作为测温物质，以其随温度明显变化的性质作为温度的标志。

水银温度计，由它给出的温度叫摄氏温度，这种温度的计量方法叫摄氏温标。历史上，在温度的测量和数值表示方法上曾提出过多种温度标度方式。

华氏温标：冰水混合物温度为32℉，大气压下水的沸点为212℉，此时，人体温是98.6℉，目前美英等国家使用这种温标。

摄氏温标：冰水混合物温度为0℃，沸点为100℃，此时，人体温是36.5℃，世界上广泛应用。

理想气体温标：利用理想气体压强与体积的乘积只决定于温度的性质来指示温度，规定水、冰、水汽三相共存平衡时的温度为273.16K。

热力学温标：不依赖于任何物质的特性的温标叫热力学温标，通常用T表示，这种温标指示的数值叫热力学温度，这个温度的最低限称为热力学零度，也称绝对零度。在理想气体温标范围内，理想气体温标和热力学温标是完全一致的，因而都用K作单位。热力学温标在科研领域得到广泛地应用。第2节准静态过程功热量1.准静态过程活塞停止移动后，系统还要经历一段时间才能达到新的平衡态。称系统由非平衡态过度到平衡态所需的时间为弛豫时间。气体活塞砂子122.

功3.热量1)过程量：与过程有关2)等效性：改变系统热运动状态作用相同宏观运动分子热运动功分子热运动分子热运动热量3)功与热量的物理本质不同功与热量的异同内能：实验证明：系统从A

状态变化到B

状态，可以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功和传热之和保持不变。2AB1**2AB1**第3节热力学第一定律

理想气体内能：表征系统状态的单值函数，理想气体的内能仅是温度的函数。系统内能的增量只与系统起始和终了状态有关，与系统所经历的过程无关。2AB1**2AB1**

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做功。准静态过程微小过程12**+系统吸热系统放热内能增加内能减少系统对外界做功外界对系统做功第4节热力学第一定律对理想气体等值过程应用1.等温过程12T=常量，dU=0。12等温膨胀A12A等温压缩

A

A2.等体过程V=常量

等体升压

12

等体降压

12123.等压过程AP=常量12A等压膨胀12A等压压缩

A

A例：2.8×10-3kg、27℃、1atm氮气，先作等压膨胀到原体积两倍，然后体积不变使其压强增大一倍，最后等温膨胀使其压强降至1atm。求：1)氮气在全过程中热力学能的变化、所做的功和吸热。2)如果氮气自初态等压膨胀到与上述过程的同一末态，其热力学能的变化、所做的功和吸热又将如何？第5节气体的热容1.热容

一个物体的温度每升高1K时所吸收的热量叫做该物体的热容。质量热容:每千克物质的热容

c。摩尔热容：每摩尔物质的热容Cm。2.理想气体的摩尔定压热容3.理想气体的摩尔定容热容单原子分子理想气体：刚性双原子分子理想气体：4.气体热容的量子特性例：一定量双原子分子理想气体，经

pV2=常量的准静态过程，从状态(p1,V1)变到状态(p2,V2)，求气体在该过程中所做的功、热力学能的增量、传递的热量和该过程的摩尔热容。解：第6节绝热过程、多方过程1.绝热过程12A绝热膨胀12A绝热压缩

A

A例：将压强

p1=1.013×105Pa，体积V1=0.1L的氢气，绝热压缩到

V2=0.02L，求气体做功。解1：解2：例：0.1mol单原子理想气体，由状态A经AB所示过程到状态B。VA=1L,VB=3L,pA=3atm,pB=1atm。求1)AB过程中吸收的热量；2)过程AB中温度最高的状态C的温度、体积和压强；3)分析AC、CB过程的热交换情况。解：由状态方程直线AB方程：3)AC过程，WAC>0，△UAC>0，所以QAC>0，即从A到C系统吸热；CB过程，WCB>0，△UCB<0，因此QCB的符号要通过计算过程中的功和热力学能的增量来判断。但这个过程曲线是一直线，不是绝热线，并不是每一个微小过程都有δQ=0，只是有些小过程吸热，而另一些微小过程放热，总体效果为零。例：氮气液化，把氮气放在一个绝热的汽缸中。开始时，氮气的压强为

50个标准大气压、温度为300K；经急速膨胀后，其压强降至1个标准大气压，从而使氮气液化。试问此时氮的温度为多少?解：氮气可视为理想气体，其液化过程为绝热过程。氮气为双原子气体由表查得2.多方过程pVO等体过程绝热过程等温过程等压过程

一摩尔理想气体从状态(p1,V1,T1)经方过程变化到状态(p2,V2,T2)，根据尔热容的定义，气体从外界吸收热量绝热自由膨胀过程理想气体：实际气体：温度一般不会恢复到初态第7节循环过程与卡诺循环

热机发展简介：1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低。1765年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率。人们一直在为提高热机的效率而努力，从理论上研究热机效率问题，一方面指明了提高效率的方向，另一方面也推动了热学理论的发展。各种热机的效率液体燃料火箭柴油机汽油机蒸汽机1.循环过程

系统经过一系列变化状态过程后又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程。AB热机热机效率高温热源低温热源热机（正循环）AB致冷机致冷系数致冷机（逆循环）致冷机高温热源低温热源AB例：1mol氦气经过如图的循环过程，其中p2=2p1,V4=2V1，求：1～2、2～3、3～4、4～1各过程中气体吸收的热量和热机的效率。1423解：由理想气体物态方程得14232.卡诺循环低温热源高温热源卡诺热机AABCDAABCD

A—B

等温膨胀

B—C

绝热膨胀

C—D

等温压缩

D—A

绝热压缩A—B等温膨胀吸热C—D

等温压缩放热AABCD

D—A

绝热过程B—C

绝热过程

卡诺热机效率AABCDAABCD高温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机致冷系数：图中两卡诺循环吗？例：一台电冰箱放在室温为20℃的房间里，冰箱储藏柜中的温度维持在5℃。现每天有2.0×107J的热量自房间传入冰箱内，若要维持冰箱内温度不变，外界每天需作多少功？其功率为多少？设在5℃至20℃之间运转的致冷机的致冷系数，是卡诺致冷机致冷系数的55%。解：房间传入冰箱的热量热平衡时例：卡诺制冷机使50千克0℃水变成0℃的冰，需要做多少功？制冷机向周围环境放出了多少热量？如果从-10℃的冰中取走等量的热，需要做多少功？环境温度为27℃，冰的熔解热为3.35×105J/kg。