热力学第一定律课件.ppt
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第二章热力学第一定律Chapter2theFirstLowofThermodynamics目的和任务解决系统发生解决系统发生化学变化化学变化及其所伴随的及其所伴随的物理变化物理变化时,与外界交换能量的定量计算。
即下述三类变化时,与外界交换能量的定量计算。
即下述三类变化过程的过程的Q、W的计算:
的计算:
(1)单纯)单纯pVT变化变化
(2)相变化)相变化(3)化学变化)化学变化n理解热力学概念:
平衡态、状态函数、可逆过程、反应理解热力学概念:
平衡态、状态函数、可逆过程、反应进度、热力学标准态;进度、热力学标准态;n理解热力学第一定律的叙述和数学表达式;理解热力学第一定律的叙述和数学表达式;n理解热力学能、焓、标准摩尔反应焓、标准摩尔生成焓、理解热力学能、焓、标准摩尔反应焓、标准摩尔生成焓、标准摩尔燃烧焓等概念;标准摩尔燃烧焓等概念;基本要求掌握下述三类变化过程的掌握下述三类变化过程的热、功、热、功、UU、HH的的计算计算(11)pVTpVT变化;(变化;(22)相变化;()相变化;(33)化学变化)化学变化所需知识所需知识:
(11)基本公式;)基本公式;(22)状态方程(理气)和有关物性数据(摩)状态方程(理气)和有关物性数据(摩尔热容、尔热容、相变焓、饱和蒸气压等)。
相变焓、饱和蒸气压等)。
(33)主要方法:
)主要方法:
状态函数法状态函数法2.1基本概念及术语系统与环境状态与状态函数过程与途径1.系统与环境系统系统(system)(system):
我们所研究的那部分物质世界;我们所研究的那部分物质世界;环境环境(suroundingsurounding):
与系统相关的部分。
与系统相关的部分。
系统与环境间有界面系统与环境间有界面(假想的或真实的假想的或真实的)分开,分开,可以有可以有物质和能量物质和能量的交换。
的交换。
系统分为:
系统分为:
封闭系统、敞开系统和隔离系统封闭系统、敞开系统和隔离系统。
描述系统需要用到描述系统需要用到热力学性质热力学性质,研究系研究系统要涉及统要涉及状态和状态变化状态和状态变化。
封闭、隔离、敞开系统封闭系统封闭系统(closedsystem):
与环境间有热、功等能量形式的交换而与环境间有热、功等能量形式的交换而无物质交换的系统。
无物质交换的系统。
作为我们的研作为我们的研究对象。
究对象。
隔离系统隔离系统(isolatedsystem):
与环境间既没有物质交换,又没有能量与环境间既没有物质交换,又没有能量交换的系统,又称孤立系统交换的系统,又称孤立系统。
敞开系统敞开系统(opensystem):
与环境间既有物质交换又有能量交换的与环境间既有物质交换又有能量交换的系统,又称开放系统。
系统,又称开放系统。
(11)状态和状态函数)状态和状态函数状态:
状态:
静止的系统内部所处的状态静止的系统内部所处的状态(如:
教室内(如:
教室内的空气)的空气)状态函数:
描述系统状态的物理量(热力学性质)状态函数:
描述系统状态的物理量(热力学性质)2.2.状态与状态函数状态与状态函数(thestateandstatfunctionstatfunction)状态函数的性质:
状态函数的性质:
a.状态函数状态函数X的值取决于系统的状态(呈单值函数),有:
的值取决于系统的状态(呈单值函数),有:
b.a)pf(nTV),),Uf(nTV).c.b)X的改变量的改变量X与状态变化的路径无关(与状态变化的路径无关(状态函数状态函数法法)状态函数法状态函数法根据状态函数的性质,根据状态函数的性质,状态函数状态函数X的改变量的改变量X若系统由同一始态分别经若系统由同一始态分别经A、B不同途径到达不同途径到达相同终态,即:
相同终态,即:
b.状态函数的微小变化状态函数的微小变化dX为全微分为全微分
(2)广度量和强度量描述热力学系统的性质分为:
描述热力学系统的性质分为:
两者的关系两者的关系:
广度量的摩尔量是强度量,如摩尔广度量的摩尔量是强度量,如摩尔体积体积m等。
等。
强度量强度量:
系统分割成若干部分时不具有加和关系系统分割成若干部分时不具有加和关系的性质,如的性质,如p、和组成等。
和组成等。
广度量广度量:
系统分割成若干部分时具有加和关系的系统分割成若干部分时具有加和关系的性质。
如性质。
如、等等。
热力学研究的都是热力学研究的都是平衡状态,平衡状态,条件:
条件:
(1)热平衡:
热平衡:
系统内无隔热壁处处温度相等系统内无隔热壁处处温度相等
(2)力平衡:
力平衡:
系统内无刚性壁处处压力相等系统内无刚性壁处处压力相等(3)相平衡:
相平衡:
宏观上各相间没有物质传递宏观上各相间没有物质传递(4)化学平衡:
化学平衡:
宏观上化学反应停止宏观上化学反应停止热力学平衡状态是稳定状态热力学平衡状态是稳定状态亚稳定状态:
热力学上不稳定的状态,但段时间存在亚稳定状态:
热力学上不稳定的状态,但段时间存在如:
过饱和蒸气、过冷水、过热液体、过饱和溶液如:
过饱和蒸气、过冷水、过热液体、过饱和溶液(33)平衡态)平衡态过程:
过程:
系统从某一状态变化到另一状态的经历系统从某一状态变化到另一状态的经历途径:
状态变化的具体步骤途径:
状态变化的具体步骤3.过程与途径过程与途径过程与途径不作严格区分过程与途径不作严格区分常见过程:
常见过程:
恒温过程恒温过程:
变化过程中始终有变化过程中始终有(系系)=T(环环)=常数。
常数。
仅仅(始始)=T(终终)=T(环环)=常数为常数为等温等温过程。
过程。
恒温过程恒温过程:
变化过程中始终有变化过程中始终有(系系)=T(环环)=常数。
常数。
仅仅(始始)=T(终终)=T(环环)=常数为常数为等温等温过程。
过程。
绝热过程绝热过程:
系统与环境间无热交换的过程系统与环境间无热交换的过程。
恒容过程恒容过程:
过程中系统的体积始终保持不变过程中系统的体积始终保持不变。
恒压过程恒压过程:
变化过程中始终变化过程中始终p(系系)=p(环环)=常数。
常数。
(始始)=(终终)=(环环)=常数,为常数,为等压等压过程;过程;仅仅是仅仅是(终终)=(环环)=常数,为常数,为恒外压恒外压过程过程3.过程与途径过程与途径可逆过程可逆过程(reversibleprocess):
系统经历某过系统经历某过程后,能够通过原过程的反向变化而使系统和环境都程后,能够通过原过程的反向变化而使系统和环境都回到原来的状态回到原来的状态(在环境中没有留下任何变化在环境中没有留下任何变化),为可,为可逆过程。
逆过程。
循环过程循环过程:
经历一系列变化后又回到始态的过程。
经历一系列变化后又回到始态的过程。
循环过程前后循环过程前后状态函数变化量状态函数变化量均为零均为零。
可逆过程是在无限接近平衡条件下进行的过程,可逆过程是在无限接近平衡条件下进行的过程,即:
即:
Te=TdT,pe=pdp;可逆过程是一种可逆过程是一种理想化理想化的过程。
的过程。
实际过程都是不可逆过程(实际过程都是不可逆过程(irreversibleprocess)。
)。
研究可逆过程的意义研究可逆过程的意义n1.某些实际过程可近似当做可逆过程处理某些实际过程可近似当做可逆过程处理n2.为提高实际过程的效率提供了参考依据为提高实际过程的效率提供了参考依据n3.实际过程的限度平衡,可用可逆过程来实际过程的限度平衡,可用可逆过程来描述。
描述。
n4.在热力学中,实际变化过程的状态函数的改在热力学中,实际变化过程的状态函数的改变量无法计算时,需设计一系列可逆过程来进变量无法计算时,需设计一系列可逆过程来进行计算。
行计算。
的基础。
的基础。
4.功和热
(1)功功(work):
是系统与环境间因内部是系统与环境间因内部粒子有序运粒子有序运动动而交换的能量,符号而交换的能量,符号的正负号规定:
的正负号规定:
a.分别以系统和环境为研究对象时,功的绝分别以系统和环境为研究对象时,功的绝对值相等,符号相反。
对值相等,符号相反。
的性质:
过程函数,其值与变化过程有关即的性质:
过程函数,其值与变化过程有关即注意注意:
b.微小变化的功微小变化的功-体积功的计算体积功的计算:
W的分类:
的分类:
体积功体积功:
系统因体积变化而与环境交换的功,其本系统因体积变化而与环境交换的功,其本质为机械功。
质为机械功。
非体积功非体积功(符号(符号W,指除了体积功之外的其它功。
指除了体积功之外的其它功。
如电功、表面功。
)如电功、表面功。
)#在基础热力学中,一般只考虑体积功,即在基础热力学中,一般只考虑体积功,即W=0对微小变化对微小变化式中加“”,way?
对宏观变化对宏观变化功的功的计算分析计算分析:
(1)恒外压过程恒外压过程(pamb恒定恒定):
Key:
W是过程函数,其值与变化过程有关,注意是过程函数,其值与变化过程有关,注意掌握各类变化过程的特征掌握各类变化过程的特征,由的定义式分,由的定义式分析计算析计算功的功的计算举例计算举例n2mol300K、150kPa的理想气体,经过下列的理想气体,经过下列不同途径等温膨胀到相同末(不同途径等温膨胀到相同末(50kPa),),求不求不同过程的功。
同过程的功。
n
(1)反抗)反抗50kPA的恒外压一次膨胀到末态;的恒外压一次膨胀到末态;n
(2)向真空膨胀;)向真空膨胀;n(3)先反抗)先反抗100kPa外压膨胀至平衡,再反外压膨胀至平衡,再反抗抗50kPA的外膨胀到末态。
的外膨胀到末态。
n2molp1150kPaV133.26dm3n2molp1150kPaV299.78dm3
(1)Pamb50kPa
(2)Pamb0kPa(3)二次膨胀)二次膨胀n
(1)W1pambVp2(V2V1)nnRT1-(P2/P1)=3.326kJn
(2)W2pambV0n(3)W3WaWb4.158kJ(见(见p42)n显然显然W1W2W3各不各不相等相等n结论:
功是与过程(途径)有关的物理量结论:
功是与过程(途径)有关的物理量过程(途径)函数过程(途径)函数解:
解:
(22)热(热(heatheat)热热是系统与环境间因内部是系统与环境间因内部粒子无序运动粒子无序运动而交换而交换的能量,符号的能量,符号QQ的正负号规定:
的正负号规定:
a.分别以系统和环境为研究对象时,分别以系统和环境为研究对象时,热热的绝的绝对值相等,符号相反。
对值相等,符号相反。
注意注意:
b.微小变化的微小变化的热热-Q的性质:
过程函数,其值与变化过程有关即的性质:
过程函数,其值与变化过程有关即55热力学能热力学能(thermodynamicsenergy)热力学能热力学能(U)-系统系统内部内部能量的总和能量的总和(也称为也称为内能内能)a.内部分子的动能,内部分子的动能,与与T有关有关;b.分子间相互作用的势能分子间相互作用的势能,与与V有关有关;c.分子内部其它能量。
分子内部其它能量。
状态函数状态函数,广度量,绝对值未知广度量,绝对值未知状态状态函数可全微分,即函数可全微分,即
(1)组组成成Q的计算-状态函数法状态函数法(后详述)(后详述)U=f(T,V)(3)状态函数法状态函数法2.2热力学第一定律热力学第一定律(ThefirstLawofThermodynamics)解决的问题解决的问题:
系统发生化学变化及其伴随的系统发生化学变化及其伴随的物理变化时,物理变化时,系统与外界交换的能量的定量系统与外界交换的能量的定量计算计算(本章主线本章主线)。
主要针对下述三类变化:
)。
主要针对下述三类变化:
(1)单纯)单纯pVT变化变化
(2)相变化)相变化(3)化学变化)化学变化系统与外界交换的能量的形式:
系统与外界交换的能量的形式:
功和热功和热即即:
隔离系统中隔离系统中能量守恒能量守恒(本质本质)。
)。
对隔离系统对隔离系统:
1.1热力学第一定律热力学第一定律2.(ThefirstLawofThermodynamics)3.第一永动机是不可能造成的!
2.封闭系统第一定律数学形式封闭系统第一定律数学形式:
=或或dU=Q+W封闭系统封闭系统U0时,时,QW,有相同量值的有相同量
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