第三章热力学第一定律内能
热力学第一定律 能量守恒定律
4.热力学第一定律的应用： (1)W的正负：外界对系统做功时，W取 正 值；系统对外界做功时，W取 _负__值.(均选填“正”或“负”) (2)Q的正负：外界对系统传递的热量Q取 正 值；系统向外界传递的热量 Q取 负 值.(均选填“正”或“负”)
二、能量守恒定律
能量守恒定律 能量既不会凭空 产生 ，也不会凭空 消失 ，它只能从一种形式 转化为其 他形式，或者从一个物体 转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能 量的总量 保持不变 .
1234
4.(气体实验定律和热力学第一定律的综合应用)研究表明，新冠病毒耐 寒不耐热，温度在超过56 ˚C时，30分钟就可以灭活.如图8，含有新冠病 毒的气体被轻质绝热活塞封闭在绝热汽缸下部a内，汽缸顶端有一绝热 阀门K，汽缸底部接有电热丝E.a缸内被封闭气体初始温度t1＝27 ˚C，活 塞位于汽缸中央，与底部的距离h1＝60 cm，活塞和汽缸间的摩擦不计.
√A.ab过程中气体压强不变，气体从外界吸热
B.bc过程中气体体积不变，气体不吸热也不放热 C.ca过程中气体温度不变，气体从外界吸热
图7 D.整个变化过程中气体的内能先减少后增加
1234
解析 由题图中图线ab的反向延长线过坐标原点O， 可知a到b过程中，气体压强不变，体积变大，气体对 外做功；温度升高，内能增加，根据热力学第一定律 可知，气体从外界吸热，故A正确. b到c过程中气体体积不变，气体不对外界做功，外界也不对气体做功， 温度降低，内能减小，根据热力学第一定律可知，气体放热，故B错误. c到a过程中气体温度不变，内能不变，体积变小，外界对气体做功，根 据热力学第一定律可知，气体放热，故C错误. 整个变化过程温度先升高，后降低，最后不变，所以气体的内能先增加， 后减小，最后不变，故D错误.
工程热力学第三章热力学第一定律1
膨胀功是热变功的源泉
2、轴功Ws 系统通过机械轴与外界传递的机械功
规定: 系统输出轴功为正，外界输入轴功为负。
热能转换为机械能通常都是靠轴功实现的
§3-3闭口系统能量方程
一、闭口系统能量方程表达式 某一热力过程系统总储存能的变化 E U U2 U1
外储存能 与外界有关的能量
一、热力学能（内能） 热力系统处于宏观静止状态时系统内所有微
观粒子所具有的能量之和。 内动能（移动、转动、振动）与温度有关
内位能（克服分子间相互作用力所形成的） 与比体积有关
u f (T,v)
热力学能是状态参数 U : 广延性参数 [ J ] u : 比参数 [J/kg]
重力位能：
系统工质与重力场的相互作用所具有的能量。
Ep mgz
外储存能的实质：机械能
三、系统的总能 内储存能和外储存能之和
E = U + Ek + Ep
E U 1 mc2 mgz 2
e u 1 c2 gz 2
对于无宏观运动，且高度为零的系统 E=U 或 e=u
§3-2系统与外界传递的能量
两状态间内能变化 u cv (T2 T1)
混合气体内能
n
U U1 U 2 U n U i i 1 n
mu m1u1 m2u2 mnun miui i 1
n
u giui i 1
例题
［例3-1］一定质量工质，经 历一个由四个过程组成的 循环，试填充下表中所缺 数据，并判断该循环是正 循环还是逆循环。
过程
Q
W
△U
(kJ)
(kJ)
(kJ)
1-2
1390
高一物理章节内容课件 第三章热力学第一定律第四章热力学第二定律
例五（4313）答案 B对 作业：3.8 3.9 3cle) 1．循环过程：
物质系统经历一系列的变化过程又回到
初始状态，这样的周而复始的变化过程称 为循环过程，或简称为循环。 2．热机(Heat Engine)
4、理想气体最重要的四个等值过程的功 ① 等温 T = 常数
② 绝热
③ 等压 P = 常数 ④ 等容 V = 常数
三、热量
1、特点：过程量 （不同的过程有不同的热 量表达式即有不同的摩尔热容量）
2、正负号规定：系统从外界吸热取正值，否 则取负值。
3、摩尔热容量C：一摩尔物质温度升高一K 时系统从外界吸收的热量。
（1）B点处的压强 （2）在此过程中气体对外作的功
例一（4694）图
例一（4694）解答 （1）等温线 斜率
绝热线
斜率
由题意有
（2）
例二（5078）一个可以自由滑动的绝热活塞 （不漏气）把体积为2V0的绝热容器分成 相等的两部分A、B， A、B中各盛有摩 尔数为的刚性分子理想气体，（分子 的自由度为i）温度均为T0。今用一外力 作用与活塞杆上，缓慢地将A中气体的 体积压缩为原体积的一半。忽略摩擦以
卡诺循环过程： （1）1→2，等温膨胀
吸收：
（2）2→3，工作物质和高温热源分开 是绝热膨胀过程，温度下降，对外做功
（3）3→4，物质和低温热源接触，等温压缩 过程，外界对气体做功，气体向低温热源放 热，其热量为：
（4）4→1，物质和低温热源分开，经一绝热 压缩过程回到原来状态，完成循环过程。
六、热力学第二定律 热力学第二定律：
第三章 热力学第一定律 内能
M
RdT
又
A
V2 V1
PdV
P (V2
V1 )
M
R(T2 T1 )
13
伴随整个过程的热量
Q
U2
U1
M
R(T2
T1 )
M
CV (T2
T1 )
M
R(T2
T1 )
定义定压摩尔热容 Cp :
CP
(Q ) P
M dT
可得 CP CV R 称为迈耶公式.
CP
CV
R
i 2
R
R
i2 2
T
M
CV (T2 T1 )
等压 P=常量 V 常量
T
M
CP
(T2
T1
)
等温 T=常量 PV 常量
PV 常量
M RT ln V2 或
V1
M RT ln p1
p2
绝热 dQ=0 V 1T 常量
0
P 1T 常量
0
P(V2 V1 )或
M
R(T2
T1 )
M RT ln V2 或
V1
M RT ln p1
7
• 功的图示：
A=
V2
V1
PdV
由积分意义可知，功的大小等于
P
P—V 图上过程曲线P=P(V)下的
面积。
1
比较 a , b下的面积可知，
2 功的数值不仅与初态和末态有
关，而且还依赖于所经历的中
间状态，功与过程的路径有关。
V
（功是过程量）
8
传递热量也使系统状态改变,但是要通过分子无规则运 动传递能量,称为微观功. 热力学系统在一定状态下有一定的内能. 内能的改变量只决定于初末两个状态,与所经过程无关. 或者说内能是状态的单值函数.
热力学第一定律
§3.4 热容量，热力学第一定律对理想气体的应用
一.等容摩尔热容量
摩尔热容量：一摩尔物质(温度T时)升高1度所吸收的热量,即
Cm
1
dQ dT
单位:J/mol•K
一般C与温度有关，也与过程有关，可以测量。
原平衡态
非平衡态
新平衡态
热力学中研究过程时，为了在理论上能利用系 统处于平衡态时的性质,引入准静态过程的概念.
二.准静态过程: 1.在过程中的任意时刻,系统都无限的接近平衡 状态,准静态过程是由无数个平衡态组成的过程.
2.准静态过程是实际过程的理想化模型. (无限缓慢)有理论意义,也有实际意义. 3
对于理想气体的等容过程,
dQ dE i RdT
2
1 dQ i
CV .m
dT
R 2
dA 0
C v.m i R 2
T2
E E2 - E1 CV.m dT
T1
E
C V.m
T
14
注意：对于理想气体,公式 E = Cv T 不仅适用于等容过程，而且适用于任何过程。
如图，作一个辅助过（等容+等温） 连接始末两点 E辅 EV + ET
系统 （ T1 ）直接与 热源 （ T2 ）有限温差
T2 热传导为非准静态过程
系统 T1
T1+△T T1+2△T T1+3△T T2
保持系统与外界无穷小温差， 每一无穷小传热过程为等温过程, 过程“无限缓慢”即可看成准静态传热过程.
10
三.热力学第一定律
对于任一过程
第三章热力学第一定律内能
如果是等温膨胀,则
A M RT ln V2 1 8.31 300 ln 10 1.44 103(J )
V1 4
25
P
P1
P2
a
T1
b
T2
V1
V2
V
26
例2. 两个绝热的体积分别为V1和V2的容器, 用一个 带有活塞的管子连起来，打开活塞前，第一个容器
盛有氮气，温度为T1，第二个容器盛有氢气，温度
(Q )V
M
CV dT
从热力学第一定律
用于热力学第一定律则有:
M
dU CV dT
已知理想气体内能
可得
U M i RT
2
从分子运动论
定容摩尔热容 与自由度有关
气体的定压摩尔热容
定压过程:P=常量, d P =0 过程方程: V/T=常量
Q P=恒量
根据
PV M RT
P
Ⅰ
II
P
得 dA PdV M RdT
氧 28.9
21.0
7.9 1.40
三原子 水蒸气 36.2
27.8
8.4 1.31
乙 醇 87.5
79.2
8.2
1.11
例题 一气缸中有氮气,质量为1.25kg,在标准大气
压下缓慢加热,使温度升高1K.试求气体膨胀时所做
的功A、气体内能的增量U及所吸收的热量Q.(活
塞的质量及它与汽缸壁的摩擦均可忽略.)
第一类永动机
§2 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用
2.1 理想气体的热容量 气体的定容摩尔热容
定容过程: V=常量, d V =0 过程方程:
Q
P
V=恒量
P2
第三章 热力学第一定律
目录 结束
解： M = pV = 1×0.082×105 = 1 Mmol RT 3 8.31×300
M QV = CV (T2 T1 ) Mmol
1 5 = 3 × 2× 8.31(400 300) = 692J
M Qp = Cp (T2 T1 ) Mmol
1 7 = × × 8.31(400 300) = 970J 3 2 Cp > CV 两过程内能变化相等，因等压过 程需对外作功，所以需要吸收更多的热量。
500 = 12K 5× 2× 8.31 2 0C T =T Δ + 12 T = 0
V M 2 (2) Q T = A T = R T 0 ln V Mmol 1 QT V2 500 ln V = = = 0.11 1 M 2 × 8.31 × 273 R T Mmol 0
目录 结束
QT V2 500 ln V = = = 0.11 1 M 2×8.31×273 R T Mmol 0 V2 = e 0.11 = 1.11 V1 V2 =V1×1.11 = 2×22.4×1.11 = 50(升)
γ 1
6 Pa p 1.0 × 10 = 0 (2)将
V0 = 0.001m3 V = 0.00316m3
p = 2.0×106 Pa
γ = 1.4 代入，得：
A = 920J
目录 结束
7-6 高压容器中含有未知气体，可能是 N2或Ar。在298K时取出试样，从5×10-3m3 绝热膨胀到6×10-3m3，温度降到277K。试 判断容器中是什么气体？
A = pΔ V =RΔ T = 8.31 × 50 = 416J Q =Δ E +A = 623 +416 = 1019J
大学物理第三章热力学第一定律第四章热力学第二定律
B C AD
氮气 氦气
35
B C AD
氮气 氦气
解： 取（A+B）两部分的气体为研究系统， 在外界压缩A部分气体、作功为A的过程 中，系统与外界交换的热量 Q 0
Q E ( A) 0
36
B
氮气
C
AD
氦气
系统内能的变化为
E E A E B
5 E B RTB 2
内能：态函数,系统每个状态都对应着一定内能的数值。 功、热量：只有在状态变化过程中才有意义，状态不 变，无功、热可言。
9
五、热力学第一定律
1. 数学表式 ★ 积分形式 ★ 微分形式
Q E A
dQ dE dA
10
2. 热力学第一定律的物理意义 （1）外界对系统所传递的热量 Q , 一部分用于 系统对外作功，一部分使系统内能增加。 （2）热一律是包括热现象在内的能量转换和守恒 定律。
m i E RT M2
m i i m E RT R T末 T初） （ M2 2M
i dE RdT 2
8
注意 ：
10 作功和传热对改变系统的内能效果是一样的。 （要提高一杯水的温度，可加热，也可搅拌）
20 国际单位制中，功、热、内能单位都是焦耳（J）。 （1卡 = 4.18 焦耳) 30 功和热量都是系统内能变化的量度,但功和热本身不 是内能。
绝热线
斜 率
PV C1
dP K 绝热 dV
P V
26
K 绝热 同一点 P0，V0，T0 斜率之比 （ ） K 等温
P0 K绝热 V0 P0 K等温 V0
P
a
等温
结论：绝热线比等温线陡峭
工程热力学-第三章热力学第一定律-能量方程
最终形式
Qபைடு நூலகம் E
2 1
ejδmj
eiδmi
Wtot
忽略宏观动能和位能的变化量
E U
δmi 0 δmj 0
δq du δw q u w δQ dU δW Q U W
第一定律第一解析式
02
2.2 开口系统稳态稳流能量方程
g z2 z1
（C）
热能转变 成功部分
流动功
机械能增量
02
第一定律第二解析式
wt
ws
1 2
cf2
gz
q
h2
h1
1 2
cf22 cf21
g
z2 z1
ws
(B)
q h wt δq dh δwt
2
q h 1 vdp
稳定流动特征 1）各截面上参数不随时间变化。
推导过程
流入系统的能量:
qm1
u1
p1v1
cf21 2
gz1
2）ΔECV = 0， ΔSCV = 0， ΔmCV = 0···
流出系统的能量:
Ps
qm2
u2
p2v2
1 2
cf22
gz2
系统内部储能增量: ΔECV
流出：δW δmjej
δQ
d 内部贮能的增量：dE
δQ dE ejδmj eiδmi δWtot
Q E
热力学第一定律与内能
热力学第一定律与内能热力学是研究能量转化和守恒的物理学分支。
作为热力学的基本原理，热力学第一定律与内能密不可分。
本文将探讨热力学第一定律与内能的关系及其在能量转化中的应用。
一、热力学第一定律的概念与原理热力学第一定律又称能量守恒定律，是指在系统内部能量转化过程中，能量的增加或减少等于系统对外界做功加上或减去系统所吸收或放出的热量。
热力学第一定律可以用公式表示为：ΔU = Q - W其中，ΔU代表系统内能的变化量，Q代表系统所吸收或放出的热量，W代表系统对外界做的功。
二、内能的定义与内能变化内能是指系统的微观粒子的能量之和，包括粒子的动能和势能。
内能的变化可以通过系统吸收或放出的热量和对外界做的功来描述。
根据热力学第一定律的表达式，内能的变化可以表示为：ΔU = Q - W当系统吸热时，Q为正值，表示系统从外界吸收热量，增加内能；当系统放热时，Q为负值，表示系统向外界释放热量，减少内能。
对于做功过程，当系统对外界做功时，W为正值，表示系统做功减少内能；当外界对系统做功时，W为负值，表示系统对外界做功增加内能。
三、热力学第一定律与能量转化的应用热力学第一定律与内能密切相关，广泛应用于各个领域的能量转化过程中。
以下是一些常见的应用场景。
1. 热机热力学第一定律在热机中有重要应用。
热机是指通过吸收热量将热能转化为机械能的装置。
根据热力学第一定律，热机的效率可以表示为：η = W/Qh其中，η表示热机的效率，W为热机对外界做的功，Qh为热机从高温热源吸收的热量。
热机的效率随热量转化的方式、工作温度等因素而变化，热力学第一定律为热机的设计和优化提供了理论基础。
2. 化学反应热力学第一定律也适用于化学反应的能量变化。
化学反应通常伴随着热量的吸收或放出，根据热力学第一定律的原理，化学反应的热效应可以通过内能变化来表示。
例如，当化学反应放出热量时，反应物的内能减少，产物的内能增加；当化学反应吸收热量时，反应物的内能增加，产物的内能减少。
第三章热力学第一定律
• 气缸内空气质量： • 终态吸收的热量：
• 提示：
（1）计算功时如果无法判断工质进行的过程 性质，此时用系统内部参数难以分析，可 直接用外部效果来求解。
（2）注意系统内能和比内能的区别。必须乘 上质量。
量称为热量。
2
q Tds
1
2、特点： （1）热量是过程量，与初、终状态和过程特
性有关。
（2）热量一旦通过界面传入（或传出）系统， 就变成系统（或外界）储存能的一部分， 即内能。有时习惯上称为热能。
从微观角度看：
• 热量——所起的作用是无规热运动能量 的传递。
二、功量 • 系统通过界面和外界进行的机械能的交换
Wre pdV
相同点：功和热量都是过程量。只有在系 统和外界通过边界传递能量时才有意义， 一旦它们越过界面，便转化为系统或外界 的能量。
不能说在某状态下，系统或外界有多少功 或热。
不同点：
（1）功是热力系与外界之间在压差的推动下， 通过宏观有序的运动（有规律的运动）的 方式进行传递能量。换而言之，借作功来 传递能量总是和物体的宏观位移有关。
• 焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当 量，用实验确定了热力学第一定律，补充 了迈尔的论证。
• 热力学第一定律是能量转换和守恒定律在 热现象上的应用。
能量守恒定律反映了自然界中物质所具有 的能量既不能创生，也不能消失，而只能 从一种能量形态转换为另一种能量形态， 转换中能量的总量在数量上守恒。
• 热力学第一定律阐明： 1、功与热量在能量方面的等效性； 2、功与热量相互转化的可能性。
注意：流动功不象其它功，流动功是以状 态参数来表示（两状态参数p, v的乘积）， 流动功是状态量。
第三章 热力学第一定律
Q=
p1 p1 A = pV1 ln p = p2V2 ln p 1 2 2
4. 绝热过程
1)理想气体准静态绝热过程 ) 由 特征: 特征:
Q=0
pV =ν RT
取全微分
pdV +Vdp =ν RdT ( ) 1
由热力学第一定律
) ν dA = pdV= dE= CV ,mdT (2)
Q > 0 系统从外界吸热; 系统从外界吸热;
系统内能增加; E > 0 系统内能增加; 系统对外界做功; A > 0 系统对外界做功; 微分形式 dQ = dE + dA
Q < 0 系统向外界放热; 系统向外界放热;
系统内能减少; E < 0 系统内能减少; 外界对系统做功. A < 0 外界对系统做功.
C= mc
m
4.定体摩尔热容C 4.定体摩尔热容CV,m 定体摩尔热容
C =νCm 单位:J/mol 单位:J/mol
K
一摩尔气体在体积不变时,温度改变1 时所吸收或放出的热量. 一摩尔气体在体积不变时,温度改变1K 时所吸收或放出的热量.
1 dQ 1 dE 1 d i )V = = ( νRT) = i R CV,m = = ( ν dT ν dT 2 2 ν ν dT
第三章 热力学第一定律
§ 3.1 准静态过程 § 3.2 功,热,内能 § 3.3 热力学第一定律 § 3.4 热容量 § 3.5 理想气体的绝热过程 § 3.6 循环过程 § 3.7 卡诺循环 § 3.8 致冷机 从能量角度出发, 从能量角度出发,分析研究热力学系统状态变化 时有关热功转换的关系和条件. 时有关热功转换的关系和条件.
p↓
工程热力学3 内能与热力学第一定律
第三章内能与热力学第一定律3.1 能量守恒－热力学第一定律的实质能量守恒原理——自然界一切物质都具有能量。
能量可从一种形式转变为另一种形式，但不能创造，也不能消灭，能量的总量是恒定的。
本质分析：运动是物质的固有属性，是物质的存在形式，没有运动的物质正如没有物质的运动一样不可思议。
能量是物质运动的度量，物质存在各种不同形态的运动，因而能量也具有不同的形式。
各种运动形态可以相互转化，这就决定了各种形式的能量也能够相互转换。
能量的转换反映了运动由一种形式转变为另一种形式的无限能力。
物质和能量相互依存。
既然物质不能创造和消灭，能量也就不能创造和消灭。
能量守恒反映的是物质世界运动不灭、生生不息这一事实。
目前，能量这一概念已贯穿了所有物理学科，并已成为物理学中统一的概念之一。
热力学第一定律－－在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后能量的总量保持恒定。
热力学第一定律实质上是能量转化与守恒原理在热现象中的运用。
它给出了热能传递以及与其它形式能量转化所遵从的原则，是对任何热力系、任何过程中的各种能量进行定量分析的基本依据。
它的建立同时宣告了那种不耗费任何能量，就可连续不断对外作功的所谓第一类永动机是造不成的。
3.2 内 能3.2.1 状态参数－－内能我们在第一章介绍了热和功的概念，现在将它们联系起来。
让系统按一定的方式由初始平衡态1改变到终了平衡态2，过程中系统吸收的净热量⎰21Q δ为Q ，而系统所作之净功⎰21W δ为W 。
然后来计算W Q -。
再次让系统从同一个初态1开始而改变到同一个终态2，但是这一次是按另一方式而经历一条不同的路径。
多次进行这样的实验，但每次所取的路径不同。
我们就会发现，在每一情形中，W Q -都相同。
也就是说，虽然Q 与W 各自与所取路径有关，但W Q -与却与系统从初态1改变到终态2的路径完全无关，而只与初、终两个（平衡）状态有关。
图3-1 不同路径的热力过程结论：在热力学中，存在着一个状态函数，这个函数在系统终态时的数值减去它在系统初态时的数值就等于这个过程中的变化量W Q -。
工程热力学第三章 热力学第一定律
进入控制体的能量Q(h11 2c12gz1)m1
离开控制体的能量W s(h21 2c2 2gz2)m 2
控制体储存能变化： dE cv(EdE )cvE cv 根据热力学第一定律建立能量方程
Q(h11 2c1 2gz1)m 1(h21 2c2 2gz2)m 2W sdEcv Q(h21 2c2 2gz2)m 2(h11 2c1 2gz1)m 1W sdEcv
可逆过程能量方程
可逆过程能量方程 以下二式仅适用可逆过程：
q du pdv
2
q u pdv 1
闭口系统能量方程反映了热功转换的实质，是热 力学第一定律的基本方程式，其热量、内能和膨 胀功三者之间的关系也适用于开口系统
二、热力学第一定律在循环过程中的应用
q12 u2 u1 w12 q23 u3 u2 w23 q34 u4 u3 w34 q41 u1 u4 w41
h g i hi i 1
n
H n H i i 1
只有当混合气体的组成成分一定时，混合气体 单位质量的焓才是温度的单值函数
第六节 稳态稳流能量方程的应用
一、动力机
利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备
由q
(h2
h1)
1 2
(c22
c12
)
g(z2
z1)
ws
g(z2 z1) 0
1 2
(c22
pv
对 移 动 1kg工 质 进 、 出 控 制 净 流 动 功
w
＝
f
p 2 v 2－
p1v1
流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进出口
界面工质的热力状态
热力学第一定律内能与热量
热力学第一定律内能与热量热力学第一定律：内能与热量的关系热力学第一定律是热力学的基本原理之一，它揭示了内能与热量之间的密切关系。
本文将详细讨论内能与热量的概念、内能变化与热量传递的关系，以及热力学第一定律的应用。
一、内能的概念及性质内能是热力学中的基本概念，它代表了系统的热运动能量和分子间势能的总和。
内能的记号为U，它与物质的物态、温度、压力等因素有关。
内能的性质一：内能是一个状态函数，即内能的变化只与初末状态有关，与路径无关。
这意味着在相同初末状态下，无论通过何种路径达到终态，内能的变化量是相同的。
内能的性质二：内能被定义为单位质量或单位摩尔物质的能量，通常以焦耳（J）或千焦（kJ）为单位。
二、内能变化与热量传递内能的变化可以通过两种方式实现：一是通过热量传递，二是通过做功。
根据热力学第一定律，系统的内能变化等于吸收的热量与对外界所作的功之和。
1. 热量传递热量（Q）是能量的一种传递形式，它是由于温度差而产生的能量传递。
根据热力学第一定律，当热量从高温物体传递到低温物体时，高温物体的内能减少，低温物体的内能增加。
2. 做功做功是指系统对外界做功的能力。
在内能变化中，若系统对外界做功，则内能减小；反之，若外界对系统做功，则内能增加。
做功的单位为焦耳（J）。
三、热力学第一定律的应用热力学第一定律在能量转化与守恒、热工学领域等方面有着广泛的应用。
1. 能量转化与守恒热力学第一定律指出能量守恒的基本原理，系统的能量不会凭空消失或产生，只能在不同形式之间相互转化。
通过合理利用内能变化与热量传递的关系，可以实现能量的高效转化。
2. 热工学领域热力学第一定律在热工学领域有广泛的应用，如热机、热泵、制冷器等设备。
通过热力学第一定律，可以优化设备的能量利用效率，并提高整体系统的性能。
结语热力学第一定律揭示了内能与热量之间紧密的关系，为能量转化与守恒提供了基本原理。
对于热力学的研究和应用具有重要意义。
通过深入理解内能和热量的概念，并将热力学第一定律运用于实际问题中，我们可以更好地利用能量资源，提高能源利用效率。
热力学第一定律热量与内能的关系
热力学第一定律热量与内能的关系热力学是研究物体能量转化和能量传递规律的学科。
热力学第一定律是热力学中最基本的定律之一，描述了能量守恒的原理。
在热力学中，热量和内能是重要的概念，它们之间存在着紧密的关系。
热量是指物体之间因温度差异而发生的能量转移。
当两个物体的温度不同时，它们之间存在热量的流动，具有温度高的物体向温度低的物体传递热量的趋势。
一般情况下，热量的传递是通过热传导、热对流和热辐射来进行的。
根据热力学第一定律，热量是能量的一种表现形式，能够使物体的内能发生改变。
内能是物体所具有的总能量，包括了物体的微观粒子间相互作用的能量。
内能是由物体的组成、分子结构和温度等因素决定的。
热力学中，内能可以分为可见内能和潜在内能两部分。
可见内能是指物体因其微观粒子的热运动而具有的能量，如物体的热容量。
而潜在内能则是指物体的化学键以及分子之间的相互吸引力所存在的能量。
根据热力学第一定律，内能的改变等于系统所吸收的热量与对外做的功之和，即ΔU = Q - W。
其中，ΔU表示内能的改变，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外做的功。
热力学第一定律的表达式可以解释热量和内能之间的关系。
根据热力学第一定律的公式，当系统吸收热量时，内能会增加，热量被转化为内能。
相反，当系统对外做功时，内能会减少，内能被转化为对外做功的能量。
由此可见，热量和内能之间存在着紧密的联系，热量的转移可以改变物体的内能状态。
在实际应用中，我们常常利用热力学第一定律来分析和计算物体的热量和内能关系。
通过测量物体的温度变化、吸热量和做功量，可以得到物体的内能变化情况，进而研究热量和内能的关系。
将热力学第一定律应用于工程实践中，可以有效地控制和利用热能，提高能源利用效率。
总之，热力学第一定律描述了热量与内能之间的紧密关系，热量的转移可以改变物体的内能状态。
热力学第一定律为我们理解和应用热力学提供了基本原理，对于能源的利用和节约具有重要的指导意义。
在未来的研究和实践中，进一步深化对热力学第一定律的理解和应用，将会为能源领域的发展做出重要贡献。
简述热力学第一第二第三定律
简述热力学第一第二第三定律
热力学第一定律：物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所作的功的总和。
即热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。
第一类永动机：某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而向外放热或做功。
违背热力学第一定律。
即，既要马儿跑，又要马儿不吃草。
热力学第二定律：热量不能自动地从低温物体传向高温物体而不引起外界变化（克劳修斯表述）。
不可能制造出一种循环工作的热机，它只从单一热源吸热使之完全变为功而不使外界发生任何变化（开尔文表述）。
第二类永动机：从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其它影响的热机，即η=1。
违背热力学第二定律。
即，既然马儿要吃草，吃草全部用来跑。
热力学第三定律，指的是绝对零度不可能达到。
严格来说，应该是绝对零度（负的273.15摄氏度），不可能通过有限的过程达到，因为如果我们不断的对某个热力学系统进行降温操作的话，它可以逐渐接近绝对零度。
温度是分子平均动能的标志，要想温度达到绝对零度，那必须使分子停止运动，看来这样的结果是不可能做到的，因为分子在永不停息的做无规则运动。
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§1 热力学第一定律 1.1 热力学过程 1.2 功、热量、内能 1.3 热力学第一定律
§2 理想气体的等值过程
2.1 理想气体的热容量
2.2 等温过程 2.3 绝热过程
摩尔定容热容 摩尔定压热容
作业：8-1、2、3
§1 热力学第一定律
1.1 热力学过程
对比回忆：状态
当系统的宏观(整体或局部)状态随时间变化时， 我们就说系统在经历一个热力学过程， 简称过程。
初态
真空
末 态
膨胀
准静态过程
一个过程，如果任意时刻的中间态都无限 接近于一个平衡态，则此过程为准静态过程。 显然，这种过程只有在进行的 “ 无限缓慢 ” 的 条件下才可能实现。对于实际过程则要求系统
状态发生变化的特征时间远远大于弛豫时间τ
才可近似看作准静态过程。 P
准静态过程可用P—V图
P1
Ⅰ (U1)
Q dU A
过程均适用。但为便于实际计 算，要求初、终态为平衡态。
Ⅰ (U1)
P
只考虑体积功时可写成
II (U2)
V2
Q U 2 U1 PdV
O V1 dV V2 V
V1
从PV图上看功: 功与过程有关,热量传递也与过程有关.
热量和功利用热力学系统实现相互转换.
它说明第一类永动机是不可能的.
CP
CV
R
i 2
R
R
i2 2RBiblioteka 比热容比CP i 2
CV
i
Julius Robert von Mayer
J.R. Mayer 原本是一位德国的医生，1840 年左右， Mayer 的第一篇论文寄给德国物 理年鉴，文中提出能量守恒和转换的概念， 但此论文被退回并未发表。 1842 年 Mayer 重述能量 守恒的概念，并根据比热实验数据给出热功当量，此 文也未受重视，于1845 年自费印发了第三篇论文， 后来称 Cp-Cv=R 为 Mayer 关系式。因为 Mayer 所 用推理方法无法为当代人所习惯，同时又与焦耳发生 谁是第一个发现能量守恒的人的争议，加上两个小孩 先后夭折，一连串打击导致精神失常。
P=Pe
P
Pe
m W=mgh h
水
旋转 搅 拌 器
无摩擦准静态过程
绝热功
体积变化做功
F=PS
表面张力做功
dx b b'
l 液体膜 F=2 l
dl
dA=Fdl=PSdl=P dV
dA=Fdx=2alda'x= dS为表面张力系数
dA>0,是系统对外做功; dA<0,是外界对系统做功 可见,做功可引起系统状态变化.做功是系统与外界交 换能量的过程,而且是通过宏观的规则运动实现的. 我 们把机械功、电磁功等统称为宏观功.
上的一条曲线表示，称之 为过程曲线。准静态过程 P2
II (U2)
是一种理想的极限，作为 基础，我们首先讨论它。
O
V1
V2 V
无摩擦准静态过程
无摩擦准静态过程
其特点是没有摩擦力，外界在准静态过程中 对系统的作用力，可以用系统本身的状态参 量来表示
1.2 功、热量、内能
热力学系统状态变化如何实现？
O V1
V2 V
热力学第一定律:
(Q ) P
dU
M
RdT
又
A
V2 V1
PdV
P (V2
V1 )
M
R(T2 T1 )
伴随整个过程的热量
Q
U2
U1
M
R(T2
T1 )
M
CV (T2
T1 )
M
R(T2
T1 )
定义定压摩尔热容 Cp :
CP
(Q ) P
M dT
可得 CP CV R 称为迈耶公式.
• 功的图示：
A=
V2
V1
PdV
由积分意义可知，功的大小等于
P
P—V 图上过程曲线P=P(V)下的
面积。
1
比较 a , b下的面积可知，
2 功的数值不仅与初态和末态有
关，而且还依赖于所经历的中
间状态，功与过程的路径有关。
V
（功是过程量）
传递热量也使系统状态改变,但是要通过分子无规则运 动传递能量,称为微观功. 热力学系统在一定状态下有一定的内能. 内能的改变量只决定于初末两个状态,与所经过程无关. 或者说内能是状态的单值函数.
(Q )V
M
CV dT
从热力学第一定律
用于热力学第一定律则有:
dU
M
CV dT
已知理想气体内能
可得
U M i RT
2
从分子运动论
定容摩尔热容 与自由度有关
气体的定压摩尔热容
定压过程:P=常量, d P =0 过程方程: V/T=常量
Q P=恒量
根据
PV M RT
P
Ⅰ
II
P
得 dA PdV M RdT
τ表示。实际发生的过程往往进行的较快，（如前
例）在新的平衡态达到之前系统又继续了下一步变 化。这意味着系统在过程中经历了一系列非平衡态， 这种过程为非静态过程。作为中间态的非平衡态通 常不能用状态参量来描述。
在热力学中经常讨论的理想气体自由膨胀 程是一个非静态过程。“自由”指气体不受阻力
。如图：
气体自由膨胀过程
（3）按过程的特征分类:
等容过程： d V = 0
等压过程： d P = 0
等温过程： d T = 0
绝热过程： d Q = 0，Q = 0
循环过程： d U = 0
U终态 = U初态
• 非静态过程
显然,过程的发生，系统往往由一个平衡状态到 平衡受到破坏，再达到一个新的平衡态。从平衡态 破坏到新平衡态建立所需的时间称为弛豫时间，用
第一类永动机
§2 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用
2.1 理想气体的热容量 气体的定容摩尔热容
定容过程: V=常量, d V =0 过程方程:
Q
P
V=恒量
P2
热力学第一定律: (Q)V=U2 - U1
P1 O
定义定容摩尔热容CV :
CV
(Q )V
M dT
P/T=常量
II A=0 Ⅰ
V
V
微小过程:
例：推进活塞压缩汽缸内的气体时，气 体的体积，密度，温 度 或压强都将变化，在过 程中的任意时刻，气体 各部分的密度， 压强， 温度都不完全相同。
（2）按过程中经历的各个状态的性质分类:
准静态过程（平衡过程）：初态、每个中间态、终态 都可近似地看成是平衡态的过程。
非静态过程（非平衡过程）：只要有一个状态不是平衡 态，整个过程就是非静态过程。
1.3 热力学第一定律
物理量Q、A、U1、U2 .系统状态变化时有
Q=U2-U1+A. 这就是热力学第一定律.说明外界对系统传递的热量, 一部分使系统内能增加,一部分用于对外做功. 或者说内能是状态的单值函数.
对于微小变化过程,热力学第一定律为:
适用范围：与过程是否准静态 无关。即准静态过程和非静态 P