2热力学第一定律
热力学第一二定律
【生活实际运用】 大家都知道热空气向上升，因此高山顶上的气 温似乎要比地面气温高，但实际情况正好相反， 根据学过知识怎样解释这种现象?
例题：
关于物体的内能，下列说法正确的是（ B、C ）
A．相同质量的两种物体，升高相同的温度，内 能增量一定相同
B．一定量0℃的水结成0℃的冰，内能一定减少 C．一定量气体体积增大，但既不吸热也不放热， 内能一定减少 D．一定量气体吸收热量而保持体积不变，内能 一定减少
下列关于热传递的说法中，正确的是（ B ） A、热量是从含热量较多的物体传给含热量较少的 物体
B、热量是从温度较高的物体传给温度较低的物体 C、热量是从内能较多的物体传给内能较少的物体 D、热量是从比热容大的物体传给比热容小的物体
• 热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方 向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行。
• 要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而 产生其它影响或引起其它变化。
C
B、物体对外作功，内能一定减小
C、物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不 变
D、物体放出热量，同时对外做功，内能可能不 变
2、2004年全国：一定量的气体吸收热量，体
积膨胀并对外做功，则此过程的末态与初态相
比
D
A、气体内能一定增加
B、气体内能一定减小
C、气体内能一定不变
D、气体内能是增是减不能确定
2．做功和热传递在改变物体的内能上是等效的．
3．做功和热传递在本质上是不同的：
做功使物体的内能改变，是其他形式的能量和内 能之间的转化（不同形式能量间的转化） 热传递使物体的内能改变，是物体间内能的转移 （同种形式能量的转移）
三．热力学第一定律：物体内能的增加等于外界对物体所 做的功与从外界吸收的热量之和．
热力学第一定律和第二定律
热力学第一定律和第二定律随着科学技术的不断进步，人们开始逐渐认识到自然界的一些规律，其中热力学定律就是其中之一。
热力学定律是描述物体热力学性质以及能量转化的规律。
热力学定律分为第一定律和第二定律。
本文将分别对这两个定律进行详细的说明。
一、热力学第一定律热力学第一定律，也叫做能量守恒定律。
它指出能量在自然界中不存在创生和消失，只是在不同形式之间相互转化。
即，能量的总量是不变的。
这一定律在热力学中的具体应用就是热量的转化。
通过这一定律，我们可以很好地理解物体的温度变化和热量传递。
热力学第一定律的表达式为：ΔU = Q - W。
其中，ΔU 表示系统内能的变化，Q 表示系统从外界吸收的热量，W 表示系统对外界做功。
这个公式告诉我们，一个系统的内能变化等于从外界吸收的热量减去系统对外做的功。
这就是热力学第一定律。
热力学第一定律的应用非常广泛。
比如说，我们可以通过这个定律来分析热机的效率。
热机是指能够将热能转化为机械能的设备，如蒸汽机、内燃机、汽车发动机等。
热机的效率表示为η =W/Qh，其中 W 表示机器输出的功，Qh 表示机器吸收的热能。
热力学第一定律告诉我们，热量和功是能量的两种形式，它们之间的转换只是数量上的变化，而能量本身并没有发生改变。
因此，热机能够将热能转化为机械能的效率受到热力学第一定律的限制，也就是说，热机的效率永远不可能达到 100%。
这个定律的应用不仅局限于工业和生产方面，在其他领域，如生物学、环境保护等方面，也有不同的应用。
二、热力学第二定律热力学第二定律，也叫做热力学中的熵增定律。
它指出，在任何热力学过程中，系统的总熵永远不会减少，而只会不断增加或保持不变。
熵是一个物理量，用来描述系统的无序程度，通俗地讲，就是一个系统的混乱程度。
熵增加意味着系统的混乱程度增加，熵减少意味着系统的有序程度增加。
热力学第二定律的表达式为：ΔS≥Q/T。
其中，ΔS 表示系统的总熵变化，Q 表示从高温热源吸收的热量，T 表示系统的绝对温度。
热力学第一定律与第二定律
热力学第一定律与第二定律热力学是研究能量与热的转化和传递规律的科学，它是自然科学中重要的分支之一。
在热力学中，第一定律和第二定律是两个基本的定律，它们定义了能量守恒和能量转化的方向，对于理解热力学系统的行为和实际应用具有重要意义。
1. 热力学第一定律热力学第一定律，也称为能量守恒定律，表明能量在系统与环境之间的传递和转化后总量保持不变。
它可以通过下式表达：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外界做的功。
根据热力学第一定律，一个封闭系统的能量是守恒的，能量既不能被创造也不能被销毁，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第一定律还可以用来推导出热机效率的表达式。
在一个热机中，根据热力学第一定律，系统吸收的热量等于系统对外界做的功加上系统内能的变化。
根据这个原理，我们可以得到热机效率的公式：η = 1 - Qc/Qh其中，η表示热机的效率，Qc表示热机向冷源放出的热量，Qh表示热机从热源吸收的热量。
这个公式表明，在一个热机中，不能把吸收的热量完全转化为功，一部分热量必须放出到冷源中，效率小于1。
2. 热力学第二定律热力学第二定律是热力学中最重要的定律之一，它表明热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，而是自发地从高温物体传递到低温物体。
热力学第二定律有多种等效的表述方式，其中最常见的是克劳修斯表述和开尔文表述。
克劳修斯表述中，热量不会自发地从冷热源传递到热热源，即不存在一个热机，它只从一个热源吸热，然后完全转化为功，再把一部分热量放到冷热源上，不对环境产生任何影响。
这相当于说，在一个封闭系统中，不存在一个循环过程，使得系统对外界做的功等于输入的热量。
这个等效表述被称为克劳修斯表述。
开尔文表述中，不可能制造一个只从一个热源吸热，然后完全转化为功的热机，而不对环境产生任何影响。
这相当于说，在一个封闭系统中，不存在一个循环过程，使得系统吸收的热量完全转化为功，不放出热量到冷热源。
2章 热力学第一定律
1.
& & ∑m = ∑m
i
e
& =m
2. 开口系储存能的变化为零：∆E=0 零 注：稳定流动热力系不可能膨胀或收缩，因此和外界 交换的功只能以轴功的形式体现，用Ws表示。 近年来学界指出若稳定流动热力系与外界交换电 功则可被纳入轴功的范畴。
稳定流动过程的能量方程 考虑:
(1) 微分形式： δQ = dE + δW 若系统没有宏观动能和势能： δQ = dU + δW 单位化： δq = de +逆过程 δQ = dE + PdV 或 δQ = dU + PdV
单位化： δq = de + pdv δq = du + pdv
V e=u+ + gz 2
再考虑到流体流入时外界付出的流动功
w = pv
那么流体带入（带出）热力系的总能量θ可写为：
θ = pv + e
= pv + (u + ke + pe)
2.4.5 焓（Enthalpy）
流体流入或流出热力系时内能和流动功是同时传递的， 且这二者在多数情况下是流体带入（带出）热力系能量 的主要成分，这样为我们可以定义二者之和叫做焓：
1 2 1 2 dQ = dE + dWs + (h2 + c 2 + gz 2 )dm2 − (h1 + c1 + gz1 )dm1 2 2
两边同除 dτ
& = ∂E + W + m (h + 1 c 2 + gz ) − m (h + 1 c 2 + gz ) & & &1 1 Q 2 2 2 2 1 1 ∂τ 2 2 & = W + ∂E + m (h + 1 c 2 + gz ) − m (h + 1 c 2 + gz ) &2 2 &1 1 Q & 2 2 1 1 ∂τ 2 2 (1)
第二章热力学第一定律
第二章 热力学第一定律主要内容1.热力学基本概念和术语（1）系统和环境：系统——热力学研究的对象。
系统与系统之外的周围部分存在边界。
环境——与系统密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。
根据系统与环境之间发生物质的质量与能量的传递情况，系统分为三类： (Ⅰ)敞开系统——系统与环境之间通过界面既有物质的质量传递也有能量的传递。
(Ⅱ)封闭系统——系统与环境之间通过界面只有能量的传递，而无物质的质量传递。
(Ⅲ)隔离系统——系统与环境之间既无物质的质量传递亦无能量的传递。
（2）系统的宏观性质：热力学系统是大量分子、原子、离子等微观粒子组成的宏观集合体。
这个集合体所表现出来的集体行为，如G A S H U T V p ,,,,,,,等叫热力学系统的宏观性质(或简称热力学性质)。
宏观性质分为两类：(Ⅰ)强度性质——与系统中所含物质的量无关，无加和性(如T p ,等)； (Ⅱ)广度性质——与系统中所含物质的量有关，有加和性(如H U V ,,等)。
而强度性质另一种广度性质一种广度性质= n V V =m 如，等V m =ρ（3）相的定义：相的定义是：系统中物理性质及化学性质完全相同的均匀的部分。
（4）系统的状态和状态函数：系统的状态是指系统所处的样子。
热力学中采用系统的宏观性质来描述系统的状态，所以系统的宏观性质也称为系统的状态函数。
(Ⅰ) 当系统的状态变化时，状态函数的改变量只决定于系统的始态和终态，而与变化的过程或途径无关。
即系统变化时其状态函数的改变量＝系统终态的函数值－系统始态的函数值。
(Ⅱ) 状态函数的微分为全微分，全微分的积分与积分途径无关。
即：2121X X X dX X X ∆==-⎰y yX x x X X x y d d d ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=（5）热力学平衡态：系统在一定环境条件下，经足够长的时间，其各部分可观测到的宏观性质都不随时间而变，此后将系统隔离，系统的宏观性质仍不改变，此时系统所处的状态叫热力学平衡态。
热力学第一定律和第二定律
热力学第一定律和第二定律热力学第一定律1. 内容：一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么外界对物体做的功W，与物体从外界吸收的热量Q之和,等于物体的内能的增加量2. 数学表达式：W+Q=ΔU(1)Q取决于温度变化：温度升高，Q>0;温度降低，Q<0.(2)W取决于体积变化：V增大时，气体对外做功，W<0;V减小时，外界对气体做功，W>0.(3)特例：如果气体向真空扩散，那么W=0.(4)绝热过程Q=0，关键词是“绝热材料”或“变化迅速”。
3. 热力学第1定律的理解(1)做功改变物体的内能：外界对物体做功，物体内能增加;物体对外做功，物体内能减少。
在绝热过程，物体做多少功，改变多少内能。
(2)热传递改变物体的内能：外界向物体传递热量，即物体吸热，物体的内能增加;物体向外界传递热量，即物体放热，物体的内能减少。
传递多少热量，内能就改变多少。
(3)做功和热传递的实质，做功改变内能是能量的变化，用功的数值来度量;热传递改变内能是能量的转移，用热量来度量。
热力学第二定律1.热传导的方向性：热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行，但相反方向却不能自发地进行，即热传导具有方向性，是一个不可逆过程。
2.补充说明：(1)“自发地”过程就是不受外界干扰的条件下进行的自然过程;(2)热量可以自发地从高温物体向低温物体传递，却不能自发的从低温物体传向高温物体;(2)热力学第二定律的能量守恒表达式：ds≥δQ/T(3)热量可以从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就是要由外界对其做功才能完成。
3.热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传向高温物体。
(2)开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功，而不引起其他变化。
第二章 热力学第一定律
进入系统的能量－离开系统的能量＝系统能量的增加 （2－9） 进入系统的能量－离开系统的能量＝ － ）
1 2 Q = m2 (u2 + cf 2 + gz2 ) + m2 p2 v2 2 1 2 − m1 (u1 + cf 1 + gz1 ) − m1 p1v1 + Wi 2
1 2 wt = (cf 2 − cf21 ) + g ( z 2 − z1 ) + wi 2
比较式（2－10b)和（2－16） 比较式（ － 和 － ）
(2 − 19)
q = ∆u + w q = ∆h + wt = ∆u + ∆( pv) + wt 1 2 w = ∆( pv) + wt = ∆( pv) + ∆cf + g∆z + wi 2
由于m 由于 1=m2=m, 整理上式得
1 2 Q = m(u2 + p2 v2 + cf 2 + gz2 ) 2 1 2 − m(u1 + p1v1 + cf 1 + gz1 ) + Wi 2 令 H = U + pV 代入上式得
1 Q = ∆H + m∆cf2 + mg∆z + Wi 2 1 2 δQ = dH + mdcf + mgdz + δWi 2
m1 = m2 = m
∆ECV = 0
稳定系统的能量分析： 稳定系统的能量分析： 进入系统的能量： 进入系统的能量：
1 2 Q + E1 + p1V1 = Q + m1 (u1 + cf 1 + gz1 ) + m1 p1v1 2 离开系统的能量： 离开系统的能量： 1 2 E2 + p2V2 + Wi = m2 (u 2 + cf 2 + gz 2 ) + m2 p2 v2 + Wi 2
什么是热力学第一定律和第二定律
什么是热力学第一定律和第二定律？热力学是研究能量转换和能量传递的物理学分支。
热力学第一定律和第二定律是热力学的两个基本定律，用于描述能量转移和转换的规律。
1. 热力学第一定律（能量守恒定律）：热力学第一定律是能量守恒定律的热学表述。
它指出，在一个孤立系统中，能量既不能被创造，也不能被销毁，只能由一种形式转换为另一种形式，总能量保持不变。
换句话说，能量的增加或减少必须通过热量和功的形式来实现。
热力学第一定律可以用以下公式表示：ΔU = Q - W其中，ΔU是系统内能的变化，Q是系统吸收的热量，W是系统对外界做的功。
这个公式表明，系统内能的增加等于从外界吸收的热量减去对外界做的功。
热力学第一定律的重要性在于它揭示了能量守恒的基本原理，使我们能够理解和分析能量转移和转换的过程。
2. 热力学第二定律（熵增定律）：热力学第二定律是关于热力学过程方向性的定律。
它指出，自然界中存在一个不可逆的趋势，即熵（系统的无序程度）在孤立系统中始终增加。
热力学第二定律有多种表述方式，其中最常见的是克劳修斯表述和开尔文-普朗克表述。
-克劳修斯表述：不可能把热量完全转化为功而不产生其他的效果。
-开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源吸热，使之完全变为功而不产生其他的效果。
这两种表述都表明，在热力学过程中，系统总是趋向于增加熵。
熵增定律可以解释为自发发生的过程是不可逆的。
例如，热量从高温物体传递到低温物体是自发的，而热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
热力学第二定律的重要性在于它限制了能量转化的效率。
根据热力学第二定律，不可能存在一个完全高效的热机，即不可能将热量全部转化为功而不产生其他效果。
总结起来，热力学第一定律是能量守恒定律的热学表述，指出能量在一个孤立系统中不能被创造或销毁，只能以热量和功的形式转换。
热力学第二定律是关于热力学过程方向性的定律，指出自然界中存在一个不可逆的趋势，即熵在孤立系统中始终增加。
热力学第一定律和第二定律是热力学的基本原理，对于理解能量转移和转换的规律具有重要意义。
工程热力学 二热力学第一定律
从上式可以看出在工质流动过程中，工 质作出的膨胀功除去补偿流动功及宏观 动能和宏观位能的差额即为轴功。
⑵技术功与轴功、膨胀功、流动功 由式 ｗt=ｗs+1/2(wg22－wg12 )+ｇ(ｚ2－ｚ1) =(ｑ－△ｕ)－(ｐ2ｖ2－ｐ1ｖ1) =ｗ－(ｐ2ｖ2－ｐ1ｖ1) 可以看出当忽略工质进出口处宏观动能和宏观 位能的变化，技术功就是轴功；且技术功等于 膨胀功与流动功之差。
即：ｈ1＝ｈ2。
稳态稳流过程在工程中广泛地存在。例如热 工设备的正常运行条件下，但其启动和关闭 情况除外。 其能量方程式如下： Q＝（H2-H1)＋m(wg2２-wg1２)/2 +mg(z2-z1）+Ws J q=△h+△wg２/2+g△z+ws J/Kg
一、换热器（Heat Exchanger）
实现冷、热流体热量 交换的设备。 因ws＝０，△wg２/2 ＝０，g△z＝０，所 以有： q＝h2-h1 说明工质吸收 ( 放热 ) 的热量等于其焓升 (降) 。
二、喷管（Nozzle）和扩压管
喷管实现流体压力降低、 流速增加的设备。 扩压管是流速降低，压 力增加的管道。 因ｑ＝０，ws＝０， g△z＝０，所以有： (wg2２-wg1２)/2＝h1-h2 说明气体流动动能的增加 等于其焓降。
三、气轮机（ Engine ）
利用工质在机器中膨胀而获得机械 功的设备。 因ｑ=０，△wg２/2=０，g△z＝０， 所以有： ws＝h1-h2 说明工质对外所作轴功等于其焓降。
对于可逆过程有 wt=∫21pdv－p2v2+p1v1 =∫21pdv－∫21ｄ(pv) =－∫21vdp 在Ｐ－ｖ图上是右图中的阴影面积。 注意：ｑ＝△ｈ＋ｗｔ及ｑ＝△ｕ＋ｗ对 于开口系统和闭口系统均适用，只不过 前者仅对开口系统稳态稳流过程、后者 仅对闭口系统有实在的物理意义。
第二章热力学第一定律
W=We（体积功）+Wf（非体积功）
体积功
自由膨胀（真空膨胀）
pe=0 We=-pedV=0
计算公式
一次等外压膨胀 多次等外压膨胀
pe 保持恒定 We=-pe(V2-V1) 膨胀分两步第一步外压p1.第二步p2 We=-p1(V2-V1)-P2(V3-V2)
外压pe总是比内压pi小衣柜无限小的膨胀
pe=pi-dp We=-nRTln(V2/V1)
Qp=U+pV
dU=δQ+δW=δQ+δWe+δWf
没有相边和和化学变化且不做非体积功的均相封 闭系统，系统升高单位热力学温度时所吸收的热 成该系统的热容
等压热和焓
符号C
影响因素：系统的质量或者物质的量，以及升温条件有关
<Cp>(T)=Qp/(T2-T1) 升温会导致热容发生变化所以一般T2-T1→0
Qp=Qv+△nRT
两者的关系
等压下为等压热 等容下为等容热
化学反应热
溶解热：将一定量溶质溶于溶剂中的热效应
稀释热：将一定量的纯溶剂假如溶液中的热效应
溶解热和稀释热（等压）
混合热：将两种不同物质混合是的热效应
△H（相变）=Qp（相变）
△U=△H-p△V=△H-pVg（有气体参与）
纯净物的相变实在等温等压下进行的
宏观性质
广延性质
是系统物质的量n的一次齐函数
具有加和性，整个系统的某个广度性质等于该系 统中各部分该种广度性质的加和
其数值仅取件与系统自身的特性，与系统的数量 无关
强度性质
是系统物质的量n的零次齐函数
不具有加和性
平衡：系统的各性质不再随时间而改变，也没有 可以使系统和环境之间或系统内部发生物质交 换，能量交换和化学反应力的存在
2热力学第一定律(简单)
第二章 热力学第一定律
2.1 热力学基本概念 2.2 热力学第一定律 2.3 恒容热、恒压热、焓 2.4 热容、恒容变温过程、恒压变温过程 2.5 焦耳实验、理想气体的热力学能、焓 2.6 理想气体绝热可逆过程方程式
2.7 相变化过程
2.8 热化学
2.9 由标准摩尔生成焓和标准摩尔燃烧焓 计算标准摩尔反应焓
(3) 平衡态
当系统的诸性质不随时间而改变，则系统就 处于热力学平衡态，它包括下列几个平衡： 热平衡(thermal equilibrium)系统各部分温度相等。 力平衡(mechanical equilibrium)系统各部分的压 力都相等，边界不再移动。
相平衡(phase equilibrium)多相共存时，各 相的组成和数量不随时间而改变。
判断下列过程哪些是可逆过程。
1. 摩擦生热 2. 室温和大气压力(101.3 kPa)下，水蒸发为同温同
压的气 3. 373 K和大气压力(101.3 kPa)下，水蒸发为同温同
压的气 4. 用干电池使灯泡发热 5. 恒温下将1 mol水倾入大量溶液中，溶液浓度未变
答案：3
2. 热(heat)
系统与环境之间因温差而传递的能量 称为热，用符号Q 表示。 Q 的取号：
P’ P’’
V1
V’
V2
W = - p '(V ' - V1) - p ''(V2 - V ' )
(4) 可逆相变体积功
可逆相变（在常压和正常的沸点、凝固点、 熔点下的两相变化）。如水在1个大气压力， 373 K时，蒸发为水蒸汽，忽略液体体积， 并设气相为理气。
W pV pV (g) nRT
第一定律的数学表达式
2.2 热力学第一定律
第二章 热力学第一定律 无论是何种表述，它们都是等价 的，从本质上反映了同一个规律，即 能量既不可以无中生有，也不可以消 灭，只能从一种形式转化为另一种形 式，在转化中能量的总值不变。能量 守恒原理是人们经过长期大量的实践， 总结了失败的教训和成功的经验之后 才认识到的，它是具有普遍意义的自 然规律之一。数百年来，有许多人曾 经热衷于设计制造第一类永动机，结 果无一例外均以失败而告终，其原因 就在于这种设想违背了能量守恒原理。 将能量守恒原理应用于宏观的热力学 系统，就成为热力学第一定律。
在热力学的研究中，经常遇到体积功的求算问题。此 时需对体积功的定义式作定积分：
(i) 等容过程，特点是dV＝0：
(ii) 自由膨胀过程，特点是psu=0：
第二章 热力学第一定律 (iii) 恒外压过程，特点是psu＝常数：
(iv) 等压过程，特点是p=psu=常数：
(v) 热力学可逆过程，特点是psu＝p±dp。
其绝对值相当于图中阴影面积。 过程(iii)就属于准静态过程，显然由于过程推动力无限 小，过程的进展必定无限缓慢，所历时间无限长。不难看 出，在等温条件下，在无摩擦的准静态过程中，系统对环 境作的准静态过程还有一个重要的特点：系统可由 该过程的终态按原途径逆向变化，直到系统和环境都恢复 到原过程的初始状态。例如，设想由过程(iii)的终态出发， 在活塞上每次添加一颗粉末，环境的压力就增大dp，即增 为(p+dp)，这时气体就压缩dV。在等温条件下，逐次添加粉 末，就可使气缸中气体恢复到初始状态。在该逆向变化的 过程中，环境对系统作功： 由于是沿原途径逆向积分，因而其功的绝对值与过 程(iii)相等。显然，这一压缩过程使系统和环境均复原为 初始状态。 上述压缩过程也是准静态过程。对于等温条件下压缩 过程来说，无摩擦力的准静态过程中环境对系统所作的 功为最小。
第二章 热力学第一定律
第二章热力学第一定律基本公式功: δW = -P外dV热力学第一定律: dU =δQ + δW ΔU = Q + W焓的定义: H ≡ U + PV热容的定义: C=limΔT→0δQ/ ΔT等压热容的定义: C P =δQ P /dT =(∂H/∂T)P等容热容的定义: C V =δQ V /dT =(∂U/∂T)V任意体系的等压热容与等容热容之差: C P - C V = [P + (∂U/∂V)T] (∂V/∂T)P 理想气体的等压热容与等容热容之差: C P - C V = nR理想气体绝热可逆过程方程: γ = C P / C VPVγ-1 =常数T Vγ-1 =常数P1-γTγ=常数理想气体绝热功: W =C V(T1 – T2 ) W = P1V1 – P2V2 /γ-1热机效率: η = W/Q2可逆热机效率: η = T2 – T1 / T2冷冻系数: β= Q1′/W可逆制冷机冷冻系数: β = T1 / T2 – T1焦汤系数: μ = ( ∂T/ ∂P)H = - (∂H/∂P)/C P反应进度: ξ= n B – n B0 / νB化学反应的等压热效应与等容热效应的关系: Q P = Q V + ΔnRT当反应进度ξ= 1 mol 时Δr H m= Δr U m +ΣBνB RT化学反应等压热效应的几种计算方法:Δr H m⊖=ΣBνBΔf H m⊖(B)Δr H m⊖=ΣB (єB )反应物 - ΣB(єB )产物Δr H m⊖= -ΣBνBΔC H m⊖(B)反应热与温度的关系: Δr H m(T2) =Δr H m(T1) + ∫21T TΔr C P dT表 1-1 一些基本过程的W 、Q、△U 、△H 的运算过程W Q △U △H 理想气体自由膨胀0 0 0 0 理想气体等温可逆 -nRTLnV2/V1 -nRTLnV2/V10 0任意物质等容可逆理想气体0∫C V dT∫C V dTQ v∫C V dT△U + V△P∫C P dT任意物质等压可逆理想气体-P外△V-P外△V∫C P dT∫C p dTQ P - P△V∫C V dTQ P∫C P dT理想气体绝热过程C V(T2 – T1)1/γ-1(P2V2-P1V1) 0 ∫C V dT ∫C P dT理想气体多方可逆过程PVδ=常数n R/1-δ(T2-T1) △U + W ∫C V dT ∫C P dT 可逆相变(等温等压) -P外△V Q P Q P -W Q P化学反应(等温等压) -P外△VQ PQ P – WΔr H m=Δr U m+ΣBνB RTQ PΔr H m⊖=ΣBνBΔf H m⊖(B) 例题例1 0.02Kg 乙醇在其沸点时蒸发为气体。
二 热力学第一定律
dW FdL
L W ( Ff2 Fi 2 ) 2 AY
d W Fdl
2—2 准静态过程中的功
一、体积功 1. 气体作功的计算 三、面积功
a
V2 V1
dW PdV
W
b a
a’ b’
dW
PdV
外力对薄膜作功 ： 又 则 ：
2. 功是过程量 3. 功的正负 二、等温拉伸弹性棒所 作的功(线功) L W ( Ff2 Fi 2 ) 2 AY
2—6 第一定律对理想气体的应用
3、理想气体内能的具体 表达式
dU CV dT nCV ,m dT
4、理想气体焓的表达式
H U PV U nRT H T
U (T ) CV dT U 0 (T0 )
T0
T
n CV ,m dT U 0 (T0 )
1 nRT dV V1 V V2 nRT ln V1
d W Fdl
2—2 准静态过程中的功
A
外力准静态地从Fi增加至Ff
2. 功是过程量 3. 功的正负 二、等温拉伸弹性棒所 作的功
扬氏模量 (Young‘s modulus) ：
W FdL
L1
L2
L F Y ( )T A L
3 比热：单位物质质量的热 容,称为比热容，简称比热, 以c表示,单位为J／(kg· K).
dQ C dT ,
Q C dT
T1
T2
1 dQ c m dT
d W Fdl
2—3 热 量(quantity of heat)
4 定压热容和定容热容 ** 热量Q以及热容的正负 号的含义
dQ CV ( )V dT
第二章 热力学第一定律
思考
定量气体在等温过程中热力学能不变？
错误。气体的热力学能是温度和比体积的函
数，等温过程中虽然温度不变，但比体积可
能会发生改变，故热力学能也会改变。
思考
理想气体的热力学能只与温度有关。
正确。对于理想气体，因为分子间不存在相
互作用力，因此没有内位能。其热力学能仅 包括分子内动能。因此，理想气体热力学能 只是温度的单值函数。
二、外部储存能
需要用在系统外的参考坐标系测量的
参数来表示的能量，称为外部储存能，
它包括系统的宏观动能和重力位能。
质量为m的物体相对于系统外的参考坐 标以速度c运动时，其具有的宏观动能为：
1 2 Ek mc 2
重力场中质量为m的物体相对于系统外的 参考坐标系的高度为z时，其具有的重力位 能为：
滚球永动机
软臂永动机
19世纪有人设计了一种特殊机 构，它的臂可以弯曲。臂上有 槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂 端，使力矩增大。转到另一侧， 软臂开始弯曲，向轴心靠拢。 设计者认为这样可以使机器获 得转矩。然而，他没有想到力 臂虽然缩短了，阻力却增大了， 转轮只能停止在原地。
软臂永动机
阿基米得螺旋永动机
分子热运动形成的内动能。它是温度的函数。
分子间相互作用形成的内位能。它是比体积的函 数。
维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子 能及电磁场作用下的电磁能等。
1、内动能
根据分子运动学说，组成气体的分子是处于不 断运动的状态中，不仅分子本身作直线运动、 旋转运动和相对于其它分子的振动，构成分子 的内部原子也在不断地振动，这些运动着的分 子与原子都具有动能，称为气体的内动能。 气体的内动能与气体的温度有关。气体的温 度越高，内动能越大。
工程热力学 第2章 热力学第一定律
6
可逆膨胀过程：
系统内部准静→系统的压力与外界压力相差只是无穷小 →可看作过程中P=Ps→微元过程中系统对外界所作的膨 胀功可完全用系统内部参数表示：
W PdV
对1kg工质的微元过程 对1→2的有限过程
m kg工质：
w Pdv
1 kg工质：
以上公式适用于任何简单可压缩物质可逆过程
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• 系统温度的变化与传热并无必然的联系 • 热能是微观粒子无序紊乱运动的能量；传热是微观粒
子间无序运动能量的传递
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⑵ 可逆过程的热量计算
①利用熵参数进行热量计算
热力学状态参数熵的定义
经历可逆的微元过程时，系统的熵变 量dS等于该微元过程中系统所吸入的热 量đQ与吸热当时的热源温度T之比
这时
E=U
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§2.5 控制质量(CM)能量分析
⑴热力学第一定律基本表达式
控制质量 热力过程中吸入热量Q， 对外界作功W，热力学能增加∆U 根据热力学第一定律
Q = ∆E + W W——广义功
输入能量 贮能增量 输出能量
若系统固定不动，U=E，则
Q = ∆U + W
对于微元能
⑴状态参数热力学能
物质内部拥有的能量统称为热力学能（内能）
分子平移运动、转动和振动的动能（内动能） 分子间因存在作用力而相应拥有的位能(内位能) 维持一定分子结构的化学能、分子的结合能 U 电偶极子和磁偶极子的偶极矩能 原子核能（原子能） ……（电子的运动能量等）
第2章 热力学第一定律
( The First Law of Thermodynamics )
主要内容
热力学第一定律与第二定律
热力学第一定律与第二定律热力学是关于能量转化和能量守恒的科学，它研究了物质与能量之间的关系以及能量转化的规律。
在热力学中，有两个基础定律，即热力学第一定律和热力学第二定律。
本文将详细介绍这两个定律的定义、原理和应用。
一、热力学第一定律热力学第一定律又被称为能量守恒定律，它表明能量在系统中的变化量等于系统所做的功加上系统吸收的热量。
简言之，能量是守恒的。
具体来说，热力学第一定律可以用以下方程式表示：ΔU = Q - W其中，ΔU代表系统内能的变化，Q代表系统吸收的热量，W代表系统所做的功。
根据这个定律，我们可以得出以下结论：1. 系统吸收的热量等于系统内能的增加。
热量可以使系统内粒子的动能增加，也可以使分子之间的相互作用增强，从而使内能增加。
2. 系统所做的功等于系统内能的减少。
当一个物体从高温区移动到低温区时，它会做功，从而导致内能减少。
热力学第一定律的应用非常广泛。
例如，在工程领域中，我们可以利用这个定律来计算热机的效率。
在化学反应中，我们可以根据热力学第一定律来判断反应是否放热或吸热，并求出反应的焓变。
总之，热力学第一定律是热力学研究中的基础，对于理解和应用能量转化的过程至关重要。
二、热力学第二定律热力学第二定律是关于物质能量转化方向的定律。
它规定了能量在自然界中传递的方式和限制。
总结起来，热力学第二定律表明热量自发地从高温物体传递到低温物体，而不会自发地从低温物体传递到高温物体。
这个定律可以从以下两个方面解释：1. 热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。
这是因为能量在自然界中总是从高能态流向低能态。
如果低温物体能够将热量传递给高温物体，就违背了能量的自发流动方向。
2. 熵增定律。
熵是用来描述系统无序程度的物理量，热力学第二定律指出，一个孤立系统的熵要么保持不变，要么增加。
换句话说，自发过程总是趋于增加系统的熵。
而熵的增加意味着能量的转化趋于不可逆。
根据热力学第二定律的约束，我们可以得出一些重要的结论。
热力学第一、二定律
W
Q1
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五、热力学第二定律
1、热力学第二定律常见的两种表述：
（1）按热传递的方向性来表述：不可能使热量从低温 物体传到高温物体，而不引起其他变化。
（2）按机械能与内能转化过程的方向性来表述：不可 能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引 起其他变化。
2、两种表述是等价的。
四、第二类永动机
1、第二类永动机：人们把想象中能够从单一热 源吸收热量，全部用来做功而不引起其他变化的 热机叫做第二类永动机。
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2、第二类永动（即效率为100%的热机） 机不可能制成。
这种永动机并不违反能量守恒定律，但与“自然界 中进行的涉及热现象的宏观过程具有方向性”这一自 然规律相违背（。即违背了热力学第二定律）
②能的转化和守恒定律庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭，即第 一类永动机（不消耗能量却能源源不断地对外做功的机器）不可 能制成（原因：违背了能量守恒定律）。
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三、热传导的方向性
热传导的过程可以向一个方向自发的进行（热量从 高温物体自发的传给低温物体）；但向相反的方向不 会自发的产生（热量不会自发的从低温物体传给高温 物体），只有在外界的帮助才能进行（如电冰箱）。
2、热力学第一定律的表达式
ΔU= Q +W
理解；公式中W表示做功，Q表示热量，ΔU表示内能的变化量 或内能的增加量或内能的增量。
——说明：上式所表示的功、热量跟内能改变之间的定
202量1/4关/6 系。
3
3、定律中各量的正、负号及含义
物理量
符号
意义
符号
意义
W
+
第二章__热力学第一定律(2)
T2 T1
适用条件：理想气体恒压pVT变化过程
H n C p ,m dT nC p ,m T2 T1
T2 T1
适用条件：理想气体单纯pVT变化的一切过程；或 真实气体恒压变温过程；或纯的液、固态物质恒压 或压力变化不大的变温过程。
3、热容的一般定义
热容是计算物质变温过程中热量传递的基础热数据，属于 物质的特性之一。 定义：没有相变化、化学变化，无非体积功过程，物质温度升
高一度所需吸收的热。
Q C dT
C (T1 T2 ) Q T1 T2
真热容 平均热容
Q CdT
T1
T2
Q C (T1 T2 )
实例： 正丁烷（液态）
4 2 C 7 . 9 0 . 330 T 1 . 0 10 T p ,m
/ J K 2 mol 1
§2.5 理想气体的热力学 1. 焦耳实验
纯物质单相系统 一定量 U=f ( n,T,V ) U=f ( T,V )
U U dU ( )V dT ( )T dV T V
3、热力学可逆过程
（1）定义: 能够通过过程的反方向变化
而使系统恢复到原来状态，同时环境也 恢复到原来状态的过程，即系统和环境 均没有热、功和物质的得失。 “能从原路返回的过程”
（2）特点：
a. 准静态过程；在整个过程中，系统内部无限 接近于平衡，或说整个过程是由无限多个准 静态组成。
b. 推动力与阻力的差值无限小；
(m）恒外压压缩
p1’=202.65kPa T1’=298K (n)恒外压膨胀 V1’=12.23dm3
p2=50.663kPa T2=298K V1=48.90dm3
2、热力学第一定律
q u w
q du w
注意：对于可逆过程功的计算：
w pdv
讨论：上述各式是闭口系统能量方程的表达式，适 用于闭口系统的一切过程。它表示加给系统的热量 一部分用来对外膨胀作功，另一部分用来改变系统 的能量。 式中各项的取值可正可负。 Q与W的取值按照前面的规定。 对于系统来讲，如果热力学能增加， △U＞0；系统 热力学能减少， △U＜0；热力学能不变，△U=0。 例如：对一刚性容器加热。分析各项能量的变化。 分析；刚性容器体积不发生变化，则W=0。因此，加 热量等于热力学能的增加。 Q= △U
热力学第一定律
热力学第一定律说明的是能量守恒与转换定律在热 现象中的应用，由此可以断定：第一类永动机是不 可能实现的。 工程热力学中，热力学第一定律主要说明热能与机 械能在转换过程中的守恒，其能量方程在热力分析 计算中应用广泛。 能量方程的形式： 系统收入能量 - 支出能量 = 系统储存能量的增量
单位质量工质的热力学能即比热力学能用u表 示，单位是J/kg或kJ/kg。 热力学能取决于工质的温度和比容，可以用以 下函数式表示 u = f（T，v） 热力学能的计算基准可以人为的选定。
2、宏观动能与宏观位能 包括宏观动能Ek和重力位能Ep 运动速度为c质量为m的系统，其宏观动能为 Ek=（mc2）/2 质量为m的系统的质量中心位置高度为z，其重力位能 为 Ep=mgz 这样系统的储存能为 E=U+ Ek+ Ep 对于1kg工质的储存能称为比储存能 e=u+ek+ep
2 热力学第一定律
热力学第一定律的实质就是能量守衡。 热力学第一定律的表述： （1）在热能与其他形式能的相互转换过程中，总能量 保持不变。 （2）不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不存 在的。 它适用于一切热力系统和热力过程，不论开口或闭口 系统，热力学第一定律均可表达为： 进入系统的能量 – 离开系统的能量 =系统储存能的 变化
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热力学第一定律练习题一、是非题，下列各题的叙述是否正确，对的画√错的画×1、已知温度T 时反应 H 2(g) 2(g) == H 2O(g) 的∆∆T 时H 2 (g)的∆C （ ）2、不同物质在它们相同的对应状态下，具有相同的压缩性，即具有相同的压缩因子Z 。
( )。
3、d U = nC V ,m d T 这个公式对一定量的理想气体的任何p ，V ，T 过程均适用， ( )4、物质的量为n 的理想气体，由T 1，p 1绝热膨胀到T 2，p 2，该过程的焓变化 （ ）5、25℃时H 2(g)的标准摩尔燃烧热等于25℃时H 2O(l)的标准摩尔生成热。
（ ）6、判断下述结论对还是不对，将答案写在其后的括号中。
( 1 )化学反应热Q p 其大小只取决于系统始终态；( )( 2 )凡是化学反应的等压热必大于等容热；( )( 3 )理想气体等容过程的焓变为21,m d ()T V T H nC T V p ∆=+∆⎰；( )( 4 )( )7、理想气体的热力学能和焓均只是温度的函数，而与压力或体积无关。
（ ）8、在定温定压下，CO 2由饱和液体转变为饱和蒸气，因温度不变， CO 2的内能和焓也不变。
( )9、 25℃∆f , 单斜) = 0 。
（ ）。
10、已知温度T 时反应 H 2(g) +2(g) == H 2O(l) 的∆r ∆r T 时H 2O(l)的∆f （ ） 11、理想气体在恒定的外压力下绝热膨胀到终态。
因为是恒压，所以∆H = Q ；又因为是绝热，Q = 0，故∆H = 0。
( )12、因为Q p = ∆H ，Q V = ∆U ，而焓与热力学能是状态函数，所以Q p 与Q V 也是状态函数。
( )。
13、500 K 时H 2(g)的∆f = 0 。
（ ）14、∆f , 金刚石 , 298 K) = 0。
（ ）15、稳定态单质的∆f 。
（ ） 16、在临界点，饱和液体与饱和蒸气的摩尔体积相等。
( )17、∆f , 石墨 , 298 K) = 0 。
（ ）18、热力学标准状态的温度指定为25℃。
（ ）19、100℃时，1 mol H 2O(l)向真空蒸发变成1mol H 2O(g)，这个过程的热量即为H 2O( l )在100℃的摩尔汽化焓。
（）20、处在对应状态的两种不同气体，各自对于理想气体行为的偏离程度相同。
( )21、已知温度T时反应C(石墨) + O2(g) == CO2(g) 的∆r∆r T时C(石墨)的∆c（）22、CO2(g)的∆f∆f。
（）23、25℃∆f,斜方) = 0 。
（）24、当真实气体分子间吸引力起主要作用时，则压缩因子Z小于1。
( )。
25、气体压缩因子Z<1，表示在一定T下实际气体比理想气体难以压缩。
( )。
26、在p = p(环) = 定值下电解水制氢气和氧气H2O(l) H22(g)则Q = ∆H。
（）27、只要一个系统在变化过程中向环境放出热量，则该系统的热力学能必然减少。
( )28、系统从同一始态出发，经绝热不可逆到达的终态，若经绝热可逆过程，则一定达不到此状态。
（）29、若不同的气体有两个对比状态参数(如p r和T r)彼此相等，则第三个对比状态参数，如V r值大体相同，( )。
30、克希霍夫公式的不定积分式∆r T) = ∆H0 + ∆aT + ∆H0是T = 0 K时的标准摩尔反应焓。
（）31、对比温度T r＞1的气体不能否被液化，( )。
32、隔离系统的内能是守恒的。
（）二、选择题1、对一个化学反应，若知其∑νB C p, m(B) > 0 ，则：（）。
（1）∆r（2）∆r（3）∆r（4）∆r2、对不同气体，同一恒定温度下，以pV m对p作图可得一直线，外推至p=0时所得截距：( )。
( 1 )等于相同的不为零的某一定值；( 2 )不等于同一值；( 3 )等于零。
3、在临界点处，饱和液体的摩尔体积V m(l)与饱和气体的摩尔体积V m(g)的关系是：( )。
( 1 ) V m(l) > V m(g) ( 2 ) V m(l) < V m(g) ( 3 ) V m(l) = V m(g)4、理想气体的液化行为是：（）。
（1）不能液化；（2）低温高压下才能液化；（3）低温下能液化； （4）高压下能液化。
5、Q p = ∆H 是指W’= 0，且满足（ ）时，系统与环境交换的热。
（1）p 2 = p 1 =定值；（2）p (外) =定值；（3）p = p (外)；（4）p 2 = p 1 = p (外) =定值。
6、1mol 水在373K 、下蒸发为水蒸气，此过程做的体积功为（ ）。
(1) -4157J ； (2) -3101 J ； (3) -2884J ； (4) –2494J 。
7、公式∆H n C T p T T =⎰,m d 12的适用条件是：( )。
( 1 )任何过程； ( 2 )等压过程；( 3 )组成不变的等压过程； ( 4 )均相的组成不变的等压过程。
8、双参数普遍化压缩因子图的建立是基于：( )。
( 1 )范德华方程； ( 2 )理想气体状态方程式；( 3 )对应状态原理； ( 4 )不同物质的特征临界参数。
9、一封闭绝热钢罐内发生爆炸反应，自反应开始至爆炸前瞬间钢罐内物质热力学能变化∆U ：( )。
( 1 ) < 0； ( 2 ) > 0； ( 3 ) = 0； ( 4 ) 不能确定。
10、下列说法中( )是正确的。
( 1 )只有等压过程才有焓的概念；( 2 )系统的焓等于系统所含的热量；( 3 )系统的焓等于系统在等压过程中吸收的热量；( 4 )在等压且不作非体积功的条件下，系统吸收的热在数值上等于焓的增量。
11、pV γ = 常数(γ = C p,m /C V ,m )适用的条件是：( )( 1 )绝热过程； ( 2 )理想气体绝热过程；( 3 )理想气体绝热可逆过程； ( 4 )绝热可逆过程。
12、使气体致冷的节流膨胀，其焦耳-汤姆逊系数 必须（ ）。
（1）> 0； （2）< 0； （3）= 0。
13、如图，在一具有导热器的容器上部装有一可移动的活塞；当在容器中同时放入锌块及盐酸令其发生化学反应，则以锌块与盐酸为系统时，正确答案为：( )。
( 1 ) Q < 0，W < 0，∆U < 0；( 2 ) Q = 0，W < 0，∆U > 0；( 3 ) Q = 0，W = 0，∆U = 0；( 4 ) Q < 0，W = 0，∆U < 0；14、热力学第一定律的数学表达式△U = Q + W 只能适用于（ ）(1) 理想气体；(2) 封闭系统； (3) 孤立系统； (4) 开放系统。
15、 在温度一定的抽空容器中，分别加入0.3 mol N 2，0.1 mol O 2及0.1 mol Ar ，容器内总压力为101.325 kPa ，则此时O 2的分压力为：( )。
（1）20.265 kPa ； （2）40.53 kPa ； （3）60.795 kPa ； （4） 33.775 kPa 。
16、 对封闭系统来说，当过程的始态和终态确定后，下列各项中没有确定的值的是：( )。
( 1 ) Q ； ( 2 ) Q ＋W ； ( 3 ) W ( Q = 0 )； ( 4 ) Q ( W = 0 )。
17、下列说法中不正确的是( )。
( 1 )用热力学方法不能测热力学能的绝对值；( 2 )理想气体的热力学能只与温度有关，且与气体物质的量成正比；( 3 )N 种气体混合物的热力学能等于混合前N 种气体的热力学能之和；( 4 )热力学能是系统状态的单值函数。
18、物质分子间的引力对临界温度的影响情况是：( )。
( 1 )引力愈大，临界温度愈低；( 2 )引力愈大，临界温度愈高；( 3 )引力的大小对临界温度无关系。
19、 下列说法中正确是：( )。
( 1 )理想气体等温过程，∆T = 0，故Q = 0； ( 2 )( 3 )理想气体等容过程，d V H C T ∆=⎰； ( 4 )理想气体绝热过程，pV γ = 常数。
20、当计算1 mol 理想气体从始态p 1，V 1，T 1经历可逆的绝热过程至终态p 2，V 2，T 2的体积功时，下列哪一式子是不适用的？( )。
( 1 )C V ,m ( T 2－T 1 )； ( 2 )C p,m ( T 2－T 1 )； ( 3 )( p 2V 2－p 1V 1 ) / ( γ－1 )； (4)R ( T 2－T 1 ) / ( γ－1 )。
21、对于一定量的理想气体，下式中：正确的有：( )。
( 3 )()0P U V∂∂=； ( 4 ) 22、∆U 可能不为零的过程为：( )。
( 1 )隔离系统中的各类变化； ( 2 ) 理想气体自由膨胀过程。
( 3 )理想气体等温过程； ( 4 ) 等温等容过程；23、一定温度下，某物质B 的摩尔蒸发焓为∆vap H m ，摩尔升华焓为∆sub H m 则在此温度下，该物质B 的摩尔凝固焓m = ( )。
（m 中的l ，s 分别代表液态和固态。
）（1）∆vap H m + ∆sub H m ； （2）－∆vap H m + ∆sub H m ；（3）∆vap H m － ∆sub H m ； （4）－∆vap H m + ∆sub H m 。
24、对于一个封闭系统，下列说法中正确的有：( )。
( 1 ) 等容绝热过程∆U = 0； ( 2 ) 等容过程所作的功等于零；( 3 ) ( 4 ) 循环过程∆U = 0。
25、已知在T 1到T 2的温度范围内某化学反应所对应的∑νB C p , m (B) > 0 ，则在该温度范围内反应的∆r （ ）。
（1）不随温度变化； （2）随温度升高而减小； （3）随温度升高而增大； （4）与温度的关系无法简单描述。
26、等压过程是指：（ ）。
( 1 )系统的始态和终态压力相同的过程； ( 2 )系统对抗外压力恒定的过程；( 3 )外压力时刻与系统压力相等的过程；( 4 )外压力时刻与系统压力相等且等于常数的过程。
27、 1 mol C 2H 5OH(l)在298 K 和100 kPa 压力下完全燃烧，放出的热为1 366.8 kJ,该反应的标准摩尔热力学能变接近于：（ ）。
（1）1369.3 kJ·mol -1； （2）－1364.3 kJ·mol -1； （3）1364.3 kJ·mol -1； （4）－1369.3 kJ·mol -1。
28、与物质的标准摩尔燃烧焓有关的下列表述中不正确的是：（ ）。
（1）物质的标准摩尔燃烧焓一般都可测定；（2）同一可燃性物质处于不同相态时，其标准摩尔燃烧焓之值不同；（3）同一可燃性物质处于不同温度时，其标准摩尔燃烧焓之值不同；（4）同样温度、同样相态的化学式（分子式）相同的不同物质的标准摩尔燃烧焓值相同。