化工热力学教学课件02热力学第一定律多学时(高教版)概要1

热力学第一定律-多学时(高教版)概要1本课程介绍了热力学第一定律，涵盖了能量守恒定律，热力学系统的状态函数，焓的定义和计算，以及热化学的基本定律。作者：本节导语热力学第一定律概述本节将重点介绍热力学第一定律的基本概念、原理以及应用.热量与功的概念本节将详细解释热量和功的概念，并说明它们之间的关系.热力学第一定律的应用本节将介绍热力学第一定律在化学工程中的一些重要应用.热力学第一定律的内容能量守恒定律能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。能量形式的转换热量、功、内能都是能量的不同形式，可以相互转化，例如做功可以使物体温度升高，产生热量。能量平衡方程热力学第一定律可以用数学公式表达，即系统内能的改变等于外界对系统所做的功加上系统吸收的热量。热量的概念11.热传递热量是物体之间由于温度差而传递的能量形式。热量总是从高温物体传递到低温物体。22.温度变化热量传递会导致物体的温度变化，温度升高表示物体吸收了热量，温度降低表示物体释放了热量。33.热量单位热量的国际单位是焦耳(J)，其他常用的单位还有卡路里(cal)和千卡(kcal)。44.热量测量热量可以通过热量计来测量，热量计利用水的比热容和温度变化来计算吸收或释放的热量。功的概念定义功是力作用在物体上，使物体在力的方向上发生位移而做的功。功的大小等于力的大小与物体在力的方向上位移的乘积。表达式W=F*s其中W为功，F为力，s为位移。能量守恒定律能量守恒定律能量不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。能量的转化例如，太阳的能量通过光和热的形式传递到地球，这些能量可以被植物用来进行光合作用，转化为化学能，最终储存在食物中。能量的转移再例如，当我们使用机械工作时，机械的能量转移到物体，使物体运动或改变形状，这个过程中能量没有消失，而是转化成了物体运动的动能或势能。热与功的转换1热能转化为功热能可以转化为功，例如，热机将热能转化为机械能，推动发动机工作。2功转化为热能功也可以转化为热能，例如，摩擦力做功，使物体温度升高，产生热量。3能量守恒热能和功可以相互转换，但总能量保持不变，符合能量守恒定律。各种形式的能量热能热能是指由于物质分子运动而产生的能量形式，可以通过热传递进行转移。机械能机械能是物体由于运动或位置而具有的能量，分为动能和势能。电能电能是指由于电荷的运动而产生的能量，可通过电线传递。化学能化学能是指储存在化学物质中的能量，通过化学反应释放或吸收。内能的概念11.定义内能是体系中所有分子动能和势能的总和，反映了体系微观运动的能量。22.状态函数内能只与体系的热力学状态有关，与过程无关。状态改变，内能改变。33.不可测量内能是系统内部微观运动的能量，无法直接测量，但可以通过能量守恒定律计算。44.影响因素体系的温度、压强、体积和物质种类等因素都会影响内能的大小。内能的计算方法1公式ΔU=Q+W2热量Q=mcΔT3功W=-PΔV内能的计算方法需要考虑热量、功和内能之间的关系。热量是热能的传递，功是能量的转换。内能的变化由热量和功的总和决定。热力学第一定律的表述能量守恒定律系统内能变化等于外界传入热量和外界对系统做功之和。数学表达式ΔU=Q+W，其中ΔU为内能变化，Q为热量，W为功。能量传递热量和功是能量传递的方式，可以改变系统的内能。热量的符号热量符号热量通常用字母Q表示。它是一个状态函数，取决于系统发生变化的起始状态和最终状态。热量是一个标量，它表示系统吸收或放出的能量的多少。热量的单位通常为焦耳(J)或卡路里(cal)。1卡路里等于4.184焦耳。功的符号符号功通常用符号W表示方向当系统对环境做功时，W为正值方向当环境对系统做功时，W为负值内能的符号内能符号内能通常用符号“U”表示，代表系统内部所有粒子热运动能量的总和。内能变化系统内能的变化用“ΔU”表示，表示系统内能的增加或减少量。热量和功的正负号关系热量系统吸收热量，热量为正值，热量符号为Q。系统放出热量，热量为负值。功系统对外做功，功为正值，功符号为W。外界对系统做功，功为负值。闭合过程的能量平衡能量守恒闭合系统能量总量不变，能量形式转换保持平衡。系统与外界系统与外界之间没有物质交换，仅有能量交换。能量平衡方程能量输入等于能量输出，表示能量守恒。应用举例热力学第一定律应用于反应器，分析能量变化。开放过程的能量平衡1能量输入物质的焓变化2能量输出功、热量3能量守恒能量输入等于输出开放过程是指系统与外界存在物质交换的过程。能量输入包括物质的焓变，能量输出包括功和热量。能量守恒定律表明，开放过程的能量输入等于能量输出。等容过程1体积不变系统体积恒定2不做功体积不变，气体不做功3热量变化内能变化完全由热量变化决定等容过程是指系统体积保持不变的过程。在等容过程中，气体不做功，内能变化完全由热量变化决定。等容过程在化工领域应用广泛，例如反应器中发生反应时，反应器体积通常保持不变。等压过程等压过程是指体系在恒定压力下进行的热力学过程。在这种过程中，体系的体积可以发生变化，但压力保持不变。1压力不变体系始终保持恒定的压力值。2体积变化体系的体积可以自由变化，不受约束。3热量传递体系可以从外界吸收或释放热量，但压力不变。等压过程在化工生产中经常用到，例如，在恒压釜中进行的化学反应就是典型的等压过程。绝热过程1定义绝热过程是指系统与外界无热量交换的过程。热量传递是温度差异导致的，因此绝热过程也意味着系统和外界温度相同。2特点绝热过程的热量变化为零。由于热量是能量传递的形式之一，在绝热过程中，系统能量的变化仅由功决定。3应用绝热过程在许多工业应用中发挥重要作用，例如压缩机和膨胀机，以及各种热力学设备。等温过程定义等温过程指的是系统在恒定温度下进行的热力学过程。在这个过程中，系统的温度保持不变。特点等温过程中，系统与外界进行热量交换，以保持温度恒定。热量变化等于外界对系统所做的功。应用等温过程广泛应用于化学反应、热力学循环以及各种工业过程。例如，等温反应器可用于控制反应温度，提高反应效率。非平衡过程的功非平衡过程非平衡过程是指系统处于非平衡状态的过程，即系统各部分的温度、压力、浓度等不一致，且随时间变化。功的定义非平衡过程的功是指系统与外界交换能量的方式之一，由系统与外界之间的压力差、速度差或电势差等引起。计算方法计算非平衡过程的功需要考虑系统内外压力的变化，以及系统内部能量的变化。应用范围非平衡过程的功在化工生产中应用广泛，例如流体输送、压缩机、泵等设备的功计算。热力学第一定律的应用11.热机效率计算热机效率，了解能量转换效率，优化设计，提高能源利用率。22.化学反应焓变根据热力学第一定律计算化学反应的焓变，预测反应进行的方向和热效应。33.物质的热容计算物质的热容，用于热量计算，例如设计反应器和传热设备。44.相变过程分析相变过程中的能量变化，例如物质的熔化、汽化和升华，以及相变过程的能量需求。热机循环循环过程热机循环是将热能转化为机械能的过程，通常由多个步骤组成，例如吸热、膨胀、放热、压缩等。热效率热机循环的效率是指输入热能中转化为机械能的比例，热效率越高，热机越高效。实际应用热机循环广泛应用于各种动力装置，例如内燃机、蒸汽机、燃气轮机等。卡诺循环的特点可逆性卡诺循环由四个可逆过程组成，这意味着每个步骤都可以逆转，系统回到初始状态。效率最高在相同的高温热源和低温热源之间，卡诺循环的热效率最高。卡诺循环的效率卡诺循环的效率是热力学中一个重要的概念，它描述了热机将热能转化为机械功的效率。卡诺循环的效率取决于高温热源和低温热源的温度差，温度差越大，效率越高。卡诺循环的效率是所有热机中最高的，任何其他热机在相同条件下都不会比卡诺循环效率更高。可逆过程和不可逆过程11.可逆过程可逆过程是一个理论上的理想过程，在整个过程中系统和环境始终处于平衡状态。22.不可逆过程不可逆过程是实际发生的真实过程，在过程中系统和环境会偏离平衡状态，导致能量损失，最终无法恢复到初始状态。33.可逆过程的特征可逆过程是理想化的过程，在实际过程中是不存在的。44.不可逆过程的特征不可逆过程是真实的，不可逆过程会导致能量损失，最终无法恢复到初始状态。热力学第一定律在化工中的应用化学反应热力学第一定律用于分析化学反应中的能量变化，例如计算反应热和焓变，帮助优化反应条件，提高效率。工艺设计在设计化工设备和工艺流程时，需要考虑能量平衡，确保能量的有效利用，减少