7.1热力学第一定律.ppt

1、2020/10/14,1,热力学基础,热力学的任务：,从能量转换与守恒的观点出发，分析研究物 体在状态变化过程中热功转换的关系和条件。,热力学第一定律及应用,在热力学中,我们研究的物体(任意形态),一、 热功等效性,1.改变系统状态的两种方式,2.热功当量,作功,传递热量,搅 拌,热 力 学 系 统:,既然热量与功有确定的当量关系，而功是与“运动”有关的量，那么热量也当然是与一种运动有关的量。热量不是“热质”,2020/10/14,2,是物体的有规则运动与系统内分子无规则运动之间的转换，改变系统的内能。,（2）传递热量：分子间相互作用,3.作功与传递热量的本质区别,（1）作功：宏观位移,是系统

2、外物体分子的无规则运动与系统内分子无规则运动之间的转换，改变系统的内能。,二、 热力学第一定律,（一般表达式）,（微分表达式）,E是状态参量的函数，与过程无关,Q、A不是状态参量的函数，与过程有关，是过程量,2020/10/14,3,说明：,（2） 正负规定,系统放热,系统吸热,内能增加,内能减少,系统对外作功,外界对系统作功,（1）单位统一,（3）热功转换不是直接的,热功：系统吸热后先使内能增加, 再通过降低内能对外作功。,功热：外界作功,使系统内能增加,再通过内能降低,系统放热。,2020/10/14,4,热力学第 一 定律的确定，说明第一类永动机是不可能制成的。,（4）第一类永动机：,既

3、不需要消耗系统内能，也不需要外界供给能量，却能不断地对外作功的机器。,（5）适用范围,2020/10/14,5,在系统状态变化过程中所经历的各个状态都由热平衡态构成的过程。,如果系统进行的速度过快，系统状态发生变化后，还未来得及恢复新的平衡态，系统又发生了变化，则该过程为非准静态过程。,如果过程进行的慢,可视为准静态过程,如果过程进行的快,则为非准静态过程,系统来得及恢复平衡态,系统来不及恢复平衡态,驰豫时间,系统从某平衡态过渡到另一平衡态所用的时间,2020/10/14,6,三、 的计算,1.功（A）,气体所作的功等于曲线下的面积,系统对外作正功；,系统对外作负功；,系统不作功。,功与过程的

4、路径有关。 功是过程量,2020/10/14,7,3. Q 的计算,热量是过程量,2. E 的计算,内能是温度的单值函数,是状态量,与过程无关。,热量与温度区别,热量是系统内能变化的量度，是过程量。,温度反映物体冷热程度,是分子平均平动动能的标志,状态量,2020/10/14,8,四、热力学第一定律在等值过程中的应用,（4）定性讨论：,1.等容过程,（1）过程特征：,（2）过程方程：,（3）特 征 图：,等容加热：,等容冷却：,V=恒量,2020/10/14,9,（5）系统对外作功：,（6）系统内能增量：,（7）系统的热量：,（8）定容摩尔热容：,比热容：,1kg的物体温度升高 1K时所吸收的

5、热量,摩尔热容：,取1mol物质,2020/10/14,10,定容摩尔热容 用 CV 表示。,1mol,Mkg,是指1 mol 气体，在体积不变的情况下，温度升高 1K 时所吸收的热量。,2020/10/14,11,（4）定性讨论：,2. 等温过程,（1）过程特征：,（2）过程方程：,（3）特 征 图：,等温膨胀：,等温压缩：,T=恒量,恒温热源,等温膨胀：,2020/10/14,12,（6）系统对外作功：,（5）系统内能增量：,（7）系统的热量：,2020/10/14,13,（4）定性讨论：,3. 等压过程,（1）过程特征：,（2）过程方程：,（3）特 征 图：,（5）系统内能增量：,P=恒

6、量,等压膨胀,等压压缩,2020/10/14,14,（6）系统对外作功：,（7）系统的热量：,2020/10/14,15,（8）定压摩尔热容,1 mol 气体，在压强不变的情况下，温度升高 1K 时所吸收的热量。用 CP表示,1mol,热容比,等容过程，气体吸收的热量全部用来增加内能； 等压过程中，气体吸收的热量用来增加同样多的内能和对外作功。,微分,2020/10/14,16,（4）定性讨论：,4.绝热过程,（1）过程特征：,（2）过程方程：,（3）特 征 图：,绝热膨胀：,绝热压缩：,绝热膨胀：,2020/10/14,17,（7）系统对外作功：,（6）系统内能增量：,（5）系统的热量：,2

7、020/10/14,18,（8）过程方程的推导,（2）,由（1）得：,（3）,（1）,两边乘CV：,（2）代入（3）：,两边同除以CVPV,两边积分,微分,2020/10/14,19,等温膨胀：,绝热膨胀：,（9）绝热线比等温线陡,2020/10/14,20,等压过程,解：,（1）,2020/10/14,21,等容过程,等温过程,2020/10/14,22,例2：,一系统如图所示:由a 态沿abc 到达c 态时，吸收 了350J 的热量，同时对外作了126J 的功。,(1). 如图沿adc 进行, 则系统作功42， 问这时系统吸收了多少热量?,解:,(1). 由热一定律:,2020/10/14

8、,23,放热!,传递了308J 热量。,(2). 当系统由c 态沿曲线ca 返回a 态时，外界对系统作功84J , 问系统 吸热还是放热 ? 热量传递了多少?,(3). 若Ed - Ea= 167J ，试求ad 、及dc 各过程吸热多少？,(1). 如图沿adc 进行, 则系统作功42，系统吸收了266J热量,2020/10/14,24,1、理想气体做功,2、理想气体的内能,外界对系统做功,系统对外界做功,小 结：,3、热力学第一定律,系统吸热,系统放热,2020/10/14,25,4、等值过程,等容过程,等温过程,2020/10/14,26,绝热过程,等压过程,2020/10/14,27,0

9、,C,0,Q,P V,0,A,0,E,PV=C,方程,dQ=0,dT=0,dP=0,dV=0,特征,绝热,等温,等压,等容,过程,四、热力学第一定律在等值过程中的应用,2020/10/14,28,自动轮骗局：1714年，德国人奥尔菲留斯声称发明了一部名为自动轮的永动机，这部机器每分钟旋转六十转，并能够将16公斤的物体提高相当的高度，当他宣布了这一消息并进行了公开实验后，名噪整个德国。1717年一位来自波兰的州长在验看了安放自动轮的房间后，派军队把守这座房屋，40天他发现自动轮仍在转动，便给奥尔菲留斯颁发了鉴定证书。奥尔菲留斯靠展出自动轮获取了大量金钱，俄国沙皇彼得一世甚至与他达成价值10万卢布

10、的购买协议。最终由于奥尔菲留斯的太太与女仆发生争执，女仆愤而曝光，原来自动轮是依靠隐藏在房间夹壁墙中的女仆牵动缆绳运转的，整个事件是一个骗局。,王洪成骗局：中国哈尔滨人王洪成曾在1984年提出一个永动机方案，他利用他设计的永动机驱动自家的洗衣机、电扇等装置运转，不久骗局被揭穿，他制作的永动机模型是用隐藏的纽扣电池驱动的一个电动马达，而供应洗衣机、电扇运转的则是暗藏在地下的电线。1998年，王洪成的另一个骗局“水变油”被揭穿，他本人也因此入狱。,2020/10/14,29,历史上人们曾经热衷于研制各种类型的永动机，其中包括达芬奇、焦耳这样的学术大家（中国的国民革命军将领黄维在被中国人民解放军俘虏

11、后也一直从事永动机的研制，直到逝世)，也包括一些希望以永动机出名和获利的骗子。,1775年法国巴黎科学院通过决议，宣布永不接受永动机，现在美国专利与商标局严禁将专利证书授予永动机类申请，而永动机这个名词现在更多地作为一种修辞被用来描述那些充满活力，不知疲倦的人。,1842年荷兰科学家迈尔提出能量守恒和转化定律；1843年英国科学家焦耳提出热力学第一定律，他们从理论上证明了能够凭空制造能量的第一类永动机是不能实现的。热力学第一定律的表述方式之一就是：第一类永动机不可能实现。,2020/10/14,30,高空的气温为什么低？ 研究大气现象时常常用到热力学第一定律。通常把温度、压强相同的一部分空气作

12、为研究的对象，叫做气团，直径上千米。由于气团很大，边缘部分和外界的热交换对整个气团没有明显的影响，即Q0，所以气团的内能的增减只等于外界对它做功或它对外界做功的多少： EA 阳光烤暖了大地，地面又使得下层的气团温度升高，密度减小，因而上升。气团膨胀的时候要推挤周围的空气，对外做功，因此内能减小，温度降低。所以，越高的地方，空气的温度越低。对于干燥的空气，大约每升高1 km温度降低10。 飞机在万米高空飞行的时候，舱外气温往往在50以下。由于机上有空调设备,舱内总是温暖如春。不过这时空调的作用不是使空气升温，而是降温。高空的大气压比舱内气压低，,2020/10/14,31,要使舱内获得新鲜空气必

13、须使用空气压缩机把空气从舱外压进来。在这个过程中，空气压缩机对气体做功，使气体的内能增加，温度上升。如果不用空调，机舱内的温度可能达到50以上！,呵气和吹气 冬天在室外，气温很低，手冻得难受，这时往手上呵气，会使手感到暖和些。从锅里取刚出笼的馒头，手烫得难受，这时往手上吹气，又觉得不太烫了。那么，为什么呵气时感到暖和，而吹气又会解除烫感呢？ 原来，冬天在室外，人手的温度较低，从嘴里呵出的气温度较高，呵出的气速度缓慢，这时热量从呵出的暖气向冷手上传递，提高了手的温度，所以手就感到暖和。 刚出笼的馒头温度高，用手接触它后，使人产生烫感。向手上吹气时，吹出的气速度快，促进了空气的流动，因而加快了手上

14、水分的蒸发，水分的蒸发又会从手上吸收热量，所以手就感觉不怎么烫了。,2020/10/14,32,冰棍和冰激凌 冰棍和冰激凌是世界各国人们都喜欢的止渴解暑食品。当你吃到凉甜可口的冰棍和冰激凌时，你是否想过，世界上最早制作冰棍和冰激凌的是哪个国家呢？ 我国是冰棍和冰激凌的故乡。早在多年以前，我国就有用冰解暑的记载。后来皇宫里就有了用奶和糖制成的冰棍。到了元世祖忽必烈时代（大约多年前），皇宫里又有了类似现在冰激凌的食品，叫做冰酪。那时，元朝统治者禁止王室以外的人制作冰酪。直到意大利旅行家马可波罗离华回国前，元世祖才让人把这种珍品的制作方法教给他。马可波罗回去后，又把这种制作方法传给了意大利王室，意大利王室把这种方法保密了约年，到年，法国国王和意大利人结婚以后，制作冰酪的方法才由意大利传入法国。年美国纽约大街上才有了冰激凌广告。 我国古代劳动人民的解暑食品是冰核。,2020/10/14,33,直到清代，每当盛夏到来之际，北京大街上还有人买冬天入窖保存下来的天然冰快冰核。大约在年，北京有人想出了“绝招”：先把天然冰放进一个大木桶里，加入适量的食盐，这样的木桶就成了一个“土冷冻室”。再准备许多圆柱形小铁筒，每个小铁筒里都装满加了香料和糖的水，并插上一根木棍。然后把一个个装满糖水的小铁筒放进“土冷