热力学第一定律.ppt

热学（5） 一、系统内能（态函数、指平衡态） (1)系统 热力学把所研究的物体（气体、液体、固体）统称为热力学系统，简称“系统”，而把与系统发生作用的环境称为外界 (2)机械能 物体作为整体机械运动的动能和运动位置发生连续变化所具有的势能 物体的状态不同，它的机械能不同 (3)内能 系统内部大量分子无规则运动（平动、转动、振动）的动能和分子间相互作用的势能总和。 系统的状态不同内能不同，记E。 可见系统的机械能和内能都是系统的状态函数，是系统状态的单值函数。 【例】气体无规则运动的动能是温度的函数(T)，势能是体积的函数(V) E = f (T.V) 四、准静态过程、热力学第一定律 实验发现作功和传热都可以使系统的状态发生变化，一般来说在一个热力学过程中既作功又传热，这时系统内能的增量 （2）准静态过程 在准静态过程中可以将热力学第一定律运用到中间的每一个元过程，从而将它写成微分形式 令气体被封闭在一汽缸中，气缸的活塞保持固定不动，为了实现准静态的等容过程，有一系列温度一个比一个高且相差极微的热源与气缸接触，这样，气体的温度逐渐升高，压力亦逐渐增大，但体积保持不变，这样的过程是等容过程。在p-V图上可用一平行于p轴的直线表示，如图（b） b p V Ⅱ Ⅰ W=0 p1 p2 在等容过程中，因气体的体积保持不变，所以气体不做功，dA=pdV=0，A总=0，由热力学第一定律得出在一微小等容过程中 （dQ）V=dE 对一个有限等容过程，当气体从状态1（p1，V1，T1）变到状态2（p2，V2，T2）时，根据热力学第一定律考虑到理想气体的内能公式 …… 上式表示在等容过程中，气体没有对外做功，外界供给的热量全部用于增加系统的内能。 （2）等压过程 特征：气体的压力保持不变，p=C恒量。dp=0 令气体被封闭在一气缸中，气缸的活塞上放置砝码并保持不变，令气缸与一系列温度一个比一个高但温差相差极微的热源接触，气体的温度逐渐升高，体积逐渐增大，但压力保持不变，这样的过程就是等压过程，在p-V图上，可用平行于V轴的直线表示，如图示此直线为等压线。 热源 a b Ⅱ Ⅰ W V1 V2 p V 根据理想气体状态方程 在一微小变化过程中dp=0，气体所做的功为 根据热力学第一定律，气体吸收的热量为 在一有限过程中，当气体从从状态1（p1，V1，T1）变到状态2（p2，V2，T2）时 上式表示在等压过程中，气体吸收的热量一部分用于增加内能，另一部分用于对外做功，如果用温度表示，则有 ……# 或 …… 比较（18-8）及（18-13）两式可看出，不论是等容过程还是等压过程，只要是温度变化相同时，内能的变化就相等，这是因为理想气体的内能仅与温度有关的缘故。 ……# （3）等温过程 等温过程：特征是气体的温度保持不变，T=恒量，dT=0 令气体被封闭在气缸中，气缸活塞上放置沙粒，为实现准静态等温过程，必须令气缸与一恒温热源接触并一粒一粒地从活塞上取下沙粒，使气体的压力逐渐减少，体积逐渐增大，而温度保持不变，这样的过程就是等温膨胀过程。在p-V图上可用曲线表示，如图示为等温线，当温度保持不变时，气体的压力p与体积V的关系为pV=C，等温线为双曲线的一支， 恒温热源 a b p V V1 V2 在等温过程中，因气体的温度保持不变，由理想气体内能公式， 得知气体的内能保持不变，当气体从状态1（p1，V1，T1）变到状态2（p2，V2，T2）时， E2-E1=0 由热力学第一定律得 …… 由理想气体状态方程 代回 又因p1V1=p2V2，玻意尔定律上式亦可以写为 【例】令质量一定的单原子理想气体，开始时压力为3atm，体积为1L，先做等压膨胀至体积为2L，其次做等温膨胀至体积为3L，最后被等容冷却到压力为1atm，求气体在全过程中内能的变化，所做的功和吸收的热量。 p V(L) a b c d 1L 3L 2L 解：如图ab，bc及cd分别表示等压膨胀，等温膨胀及等容冷却等过程。已知在状态a，压力为pa=3atm，体积为Va=1L；状态b，压力为pb=3atm，体积为Vb=2L；状态c，体积为Va=3L，压力为pc未知；由波义耳定律 在状态d，压力为pd=1atm，体积为Vd=3L。 在全过程中内能的变化ΔE为末态内能减去初态内能，由理想气体内能公式及理想气体状态方程得