热力学第一定律及其应用

热力学第一定律及其应用------对理想气体的应用摘要：热力学第一定律是人们生产的理论基础，在此简要叙述热力学第一定律的相关概念及等温，等容，等压，绝热四个过程中功与能量的转化。关键词：定义等温等容等压绝热热力学第一定律就是能量转化和守恒定律。十九世纪中期，在长期生产实践和大量科学实验的基础上，它才以科学定律的形式被确立起来。直到今天，不但没有发现违反这一定律的事实，相反的，大量新的实践不断地证明这一定律的正确性，扩充着它的实践基础，丰富着它所概括的内容。从1840—1879年,焦耳用大量的、精确的科学实验结果论证了机械能和电能与热能之间的转化关系，他在各种实验中测定的热功当量数值的一致性，给能量转化和守恒定律奠定了不可动摇的基础。然而，应该指出的是，在十八世纪末和十九世纪，许多国家的科学家都对这一定律的建立作出了一定的贡献。这是由于当时的历史条件所决定的。十八世纪初，纽可门制作的大规模把热变为机械能的蒸汽机已在英国煤矿和金属矿使用。十八世纪后半叶，由瓦特作了重大改进的蒸汽机在英国炼铁业、纺织业广泛采用。对热机效率以及机器中的摩擦生热问题的研究，大大促进了人们对于能量转化规律的认识。与此同时，在其他领域内，也分别地发现了各种运动形式之间的相互联系和转化。如1800年伏打化学电池的发明；1834年法拉第点解定律的发现；1820年奥斯特发现电流的磁效应；1831年法拉第发现电磁感应现象1822年塞贝克发现热电动势并制作出热电源；1840年焦耳发现电流热效应方面的焦耳定律；1840年法拉第还发现了光的偏振面磁致旋转现象。所有这些，都使各种运动形式间相互联系和相互转化的辩证关系被充分地揭示出来。正是在这种历史条件下，医生迈尔于1842年曾列举了25种相互转化的形式，并从空气的定压比热与定容比热之差算出了热功当量。最后，由于焦耳的长期工作，建立了大量可靠的实验资料，能量转化和守恒定律才最终巩固地建立起来。通过上述的叙述可以看出，热力学定律随着时代的发展和科技的进步，不仅没有被人们所推翻，其内容反而变得更加的丰富，在生活生产中也发挥着极大的作用。下面首先对热力学第一定律做简单介绍。热力学第一定律的定义：自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。热力学第一定律数学表达式：ΔU=Q+W或ΔU=Q-W基本内容：能量是永恒的，不会被制造出来，也不会被消灭。但是热能可以给动能提供动力，而动能还能够再转化成热能。普遍的能量转化和守恒定律是一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。热力学的基本定律之一。热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。表征热力学系统能量的是内能。通过作功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。根据普遍的能量守恒定律，系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后，内能的增量ΔU应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q和系统对外界作功A之差，即UⅡ－UⅠ=ΔU=Q－W或Q=ΔU+W这就是热力学第一定律的表达式。如果除作功、传热外，还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z，则应为ΔU=Q－W+Z。当然，上述ΔU、W、Q、Z均可正可负（使系统能量增加为正、减少为负）。对于无限小过程，热力学第一定律的微分表达式为δQ=dU+δW因U是状态函数，dU是全微分；Q、W是过程量，δQ和δW只表示微小量并非全微分，用符号δ以示区别。又因ΔU或dU只涉及初、终态，只要求系统初、终态是平衡态，与中间状态是否平衡态无关。对于准静态过程，有δQ=dU+pdV。热力学第一定律是热力学的基本定律,它阐明了热力学过程中内能和其它能量形态转换中能量守恒。热力工程上实施热力过程的目的有两点：一是实现预期的能量转换；二是达到预期的状态变化。一、等温过程

若系统与外界之间传热良好，而外界又有热容量极大地特点，这样，在它与系统交换热量时，其内部就只经历等温的可逆变化——称之为“恒温热源”（如大量的冰水混合物、沸水、某温度下的恒温水浴等），同时对系统的压缩或系统的膨胀又进行得十分缓慢，则这系统所经历的过程可认为是可逆的等温过程。

该过程的过程方程为pV=常量C，过程曲线为p-V平面上的双曲线。

由于过程中无温度变化，故亦无内能变化，△T=0，△U=0。随之，A=-Q。即等温压缩时，外界所作正功完全转化为气体对热源放出的热量；等温膨胀时，从热源吸收的热量全部转化为气体对外作的功。利用状态方程易得：A=-=-=-还可用状态方程及过程方程将上式换成其他形式，如：A=-ln=-该过程虽吸（放）热，但温度不变，故热容量为±∞，所以不能经由该过程的热容量来计算吸（放）热量，只能由Q=-A而得Q。二、等容过程过程方程为V=常量，或=常量。在p-V平面上其过程曲线是垂直于体积轴的一直线段。该过程不作体积功，A=0。吸热用系统的定容热容量进行计算