材料热力学2-1第一定律
热力学第一定律和第二定律的应用
热力学第一定律和第二定律的应用热力学是一门研究物质热现象的学科。
它关注热能的产生和传递，以及在这个过程中的热量和温度变化。
在热力学中，第一定律和第二定律是最基本的定律之一，它们是热力学的核心概念。
热力学第一定律被称为能量守恒定律。
它表明，在封闭系统中，能量总是保持不变，只能从一种形式转化为另一种形式。
这个定律提示我们，我们重视能源的消耗和使用，因为不应该浪费能源。
无论是机械能还是热能，都应该正确使用。
一个显著的案例是汽车运转。
当汽车的引擎被点火时，燃料就被燃烧，化学能被转化为机械能。
显然，能源的利用率是非常重要的，因为汽车使用能源的效率越高，汽车性能就越好，所需的燃油也就越少。
这反映在现代汽车的引擎效率上，随着技术的进步，现代引擎通常比早期引擎更高效。
此外，热力学第二定律也是一个重要的定律。
它被称为热力学不可逆性定理。
它表明，在封闭系统中，随着时间的变化，热量总是从高温度向低温度传递，从而稳定达到热平衡。
根据该定律，由于热传递只能从热到冷，因此存在热流方向的限制。
这个定律提示我们，热能是非常宝贵的，必须要使用得当。
在实践中，我们可以利用热力学的知识来提高能源的使用效率。
例如，压缩空气，毫无疑问是一个至关重要的能源效率问题。
空气压缩机的效率对于许多工业进程来说是至关重要的，但许多人不知道如何使这种过程尽可能有效。
这里，热力学可以发挥作用。
通过使用合适的绕组材料或有效的制冷剂，既可以减小压缩的过程中产生的热量损失，从而提高效率。
另外，在燃烧过程中，我们可以跟踪能量的流动，以便找出如何将未使用的热量利用起来。
热力学还可以帮助解释一些自然现象，例如化学反应和地球表面温度。
通过研究这些现象和变化，我们可以得出关于这些过程的基本知识和生产实践成果。
总之，热力学第一定律和第二定律是非常基础的定律，但在现代科学技术和工程过程中扮演着至关重要的角色。
通过合理利用能源和热量，我们可以提高效率，减少浪费，并推动进一步的科学和技术进步。
工程热力学-热力学第一定律
减排措施
根据热力学第一定律，减少不必要的能量损失和排放是可行的，例如通过改进设备的保温性能和减少 散热损失来降低能耗。
环境保护
可持续发展
减少污染
热力学第一定律强调能量的有效利用和转换， 这有助于推动可持续发展，通过更环保的方 式满足人类对能源的需求。
该定律是热力学的基本定律之一，它 为能量转换和利用提供了理论基础。
内容
热力学第一定律可以表述为：在一个封闭系统中，能量总和保持不变，即能量转 换和传递过程中，输入的能量等于输出的能量加上系统内部能量变化。
该定律强调了能量守恒的概念，即能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转化 为另一种形式。
符号和单位
热力平衡状态下的应用
能量转换
热力学第一定律可以用于分析能量转 换过程，如燃烧、热电转换等，以确 定转换效率。
热力设备设计
在设计和优化热力设备时，如锅炉、 发动机等，可以利用热力学第一定律 来分析设备的能量平衡，提高设备的 效率。
非平衡状态下的应用
热传导
在研究非平衡状态下的热传导过程时， 可以利用热力学第一定律来分析热量传 递的方向和大小。
VS
热辐射
在研究物体之间的热辐射传递时，可以利 用热力学第一定律来分析辐射能量的交换 。
热力过程的应用
热力循环
在分析热力循环过程，如蒸汽机、燃气轮机等，可以利用热力学第一定律来计算循环效 率。
热量回收
在热量回收过程中，如余热回收、热泵等，可以利用热力学第一定律来分析回收效率。
04 热力学第一定律的推论
熵增原理
定义
熵增原理是热力学第二定律的一个推论，它指出在一个封 闭系统中，自发过程总是向着熵增加的方向进行。
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。
热力学第一定律能量守恒定律
热力学第一定律能量守恒定律热力学是研究能量转换与传递规律的学科。
热力学第一定律是热力学基本定律之一，也被称为能量守恒定律。
它指出，在一个系统中，能量既不能被创造，也不能被毁灭，只能转化形式或者传递，总能量保持不变。
在这篇文章中，我们将深入探讨热力学第一定律及其应用。
1. 定律解读热力学第一定律是基于能量守恒原理得出的。
它表明，一个系统内能量的增加等于系统所得的热量减去所做的功。
即ΔE = Q - W，其中ΔE表示系统内能量的变化，Q表示系统所得的热量，W表示系统所做的功。
根据这个定律，我们可以推导出一系列与能量转化相关的关系式。
2. 热力学第一定律的应用热力学第一定律在工程学、物理学以及其他领域中有广泛的应用。
以下是其中几个重要的应用示例。
2.1 热机效率热机效率是指热机从热源吸收热量后产生的功的比例。
根据热力学第一定律，热机的净功输出等于从热源吸收的热量减去向冷源放出的热量。
因此，热机效率可以表示为η = W/Qh，其中η表示热机效率，W表示净功输出，Qh表示热机从热源吸收的热量。
热力学第一定律为热机的效率提供了理论基础，也为热机的设计和优化提供了依据。
2.2 热传导方程热传导是指热量在物体或介质中通过分子碰撞传递的过程。
根据热力学第一定律，热量传递的速率与温度梯度成正比。
热传导方程描述了热传导过程中的温度变化情况，它可以表示为dQ/dt = -kA(dt/dx)，其中dQ/dt表示单位时间内通过物体截面传递的热量，k表示热导率，A表示截面积，dt/dx表示温度梯度。
热传导方程在热流计算、材料热传导性能研究等领域有广泛的应用。
2.3 平衡态热力学平衡态热力学研究的是恒定温度和压力下的物质性质及其相互关系。
根据热力学第一定律，热平衡状态下，系统所得的热量等于系统所做的功。
通过研究热力学第一定律，我们可以推导出各种平衡态热力学关系，如焓的变化、热容、热膨胀等。
3. 热力学第一定律的实验验证热力学第一定律得到广泛的实验证实。
热力学 三大定律
热力学三大定律一、热力学第一定律1. 内容- 热力学第一定律也被称为能量守恒定律。
其表达式为ΔU = Q+W。
其中ΔU 表示系统内能的变化量，Q表示系统吸收的热量，W表示外界对系统做的功。
- 对于一个封闭系统（与外界没有物质交换，但可以有能量交换的系统），系统内能的增加等于它从外界吸收的热量与外界对它所做的功之和。
如果系统对外做功W为负，系统放出热量Q为负。
2. 实例理解- 以气缸中的气体为例，当对气缸中的气体加热（Q>0），同时活塞压缩气体（W>0）时，气体的内能ΔU增加。
例如在汽车发动机的压缩冲程中，活塞对混合气体做功，同时混合气体会有一定的热量交换，最终导致混合气体内能增加。
3. 历史发展- 焦耳通过大量精确的实验测定了热功当量，为能量守恒定律奠定了坚实的实验基础。
在焦耳之前，人们对热和功的关系认识模糊，焦耳的实验表明，机械功和热量之间存在着确定的转换关系，这一发现促使科学家们认识到能量在不同形式之间转换时总量保持不变。
二、热力学第二定律1. 克劳修斯表述- 热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
例如，在一个孤立系统中，如果有两个温度不同的物体，热量只会从高温物体向低温物体传递，而不会自发地反向传递。
如果要使热量从低温物体传向高温物体，必须有外界的作用，如冰箱制冷，是通过压缩机做功（消耗电能）才实现热量从低温物体（冰箱内部）传向高温物体（冰箱外部环境）。
2. 开尔文表述- 不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。
例如热机工作时，从高温热源吸收热量Q_1，一部分用于对外做功W，另一部分Q_2要释放到低温热源，不可能将吸收的热量Q_1全部转化为有用功W。
3. 熵的概念与第二定律的联系- 熵是用来描述系统混乱程度的物理量。
在一个孤立系统中，熵总是增加的，这是热力学第二定律的另一种表述形式。
例如，将一块方糖放入一杯水中，随着时间的推移，糖分子会均匀地扩散在水中，系统从相对有序（糖块和水分离）变为相对无序（糖分子均匀分布在水中），熵增加了。
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能量关系的一门科学。
在热力学中，热力学第一定律和内能是两个非常重要的概念。
本文将围绕这两个概念展开论述，介绍它们的定义、原理以及在实际应用中的意义。
一、热力学第一定律的定义和原理热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，表明了热力学系统中能量的守恒关系。
简单来说，系统所吸收的能量等于系统所做的功加上系统的内能变化。
热力学第一定律的数学表达式为：ΔU = Q - W其中，ΔU代表系统的内能变化，Q代表系统所吸收的热量，W代表系统所做的功。
根据热力学第一定律，当一个系统吸收热量时，它的内能会增加；当一个系统做功时，它的内能会减少。
二、内能的定义和性质内能是热力学系统所具有的能量，包括系统的微观组成、分子间相互作用以及分子内部的能量。
内能的数值取决于系统的状态，而不仅仅取决于系统的外部条件。
内能与系统的温度密切相关，根据理想气体的状态方程PV=nRT，可以得知气体的内能与温度成正比。
而对于固体和液体等其他形式的物质，内能与温度之间的关系则更为复杂，需要借助于材料的特性进行研究。
三、热力学第一定律和内能的应用1. 热力学系统的能量分析热力学第一定律为我们提供了分析热力学系统能量变化的手段。
通过测量系统所吸收的热量和做的功，我们可以计算出系统的内能变化。
在工程领域中，热力学第一定律被广泛应用于能量转化和能量利用的分析。
例如，在汽车发动机中，热力学第一定律可以帮助我们计算出燃料的能量释放情况，从而评估发动机的效率。
2. 内能的测量和控制在科学研究和工程实践中，内能的测量和控制是一项重要任务。
通过测量系统的内能变化，我们可以了解系统的热力学性质和能量变化规律。
例如，在化学反应过程中，通过测量反应物和产物的内能变化，我们可以评估反应的热效应，从而判断反应的放热或吸热性质，并为反应条件的选择提供依据。
3. 内能与能量转化的研究内能的变化与能量转化有着密切的联系。
在热力学系统中，内能的变化可以通过吸热或放热来实现能量的转化。
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
L1
3、等温过程：温度保持不变的热力学过程。 过程方程：PV = 常量 过程中内能保持不变，所以有：Q = A
A = ∫ PdV = νRT ∫
V1
V2
V2
V1
dV V2 = νRT ln V V1
例题：在一巨大容器内注满与室温相同的水。容器底部有一个 小气泡缓慢上升，逐渐变大，这是什么过程？过程中气泡内 的气体是吸热还是放热？ 例题：标准状态下0.016kg的氧气，分别经过如下过程吸收334J 的热量。1，等温过程，求终态体积。2，等体过程，求终态 压强。3，等压过程，求内能增量。已知氧气的定体摩尔热 容为5R/2。 例题：圆筒活塞下的密闭空间内盛有空气，如果空气柱的起始 高度为15cm，压强为1.01×105Pa，将活塞缓慢提升10cm， 过程中保持温度不变，求拉力作功。设活塞面积为10cm2， 大气压强为1.01×105Pa，活塞重量忽略不计。
P1 V1
P2 V2
把砝码分割成2份 把砝码分割成 份
P1 V1
P3 V3
P2 V2
把砝码分割成4份
P1 V1
P4 V4
P3 V3
P5 V5
准静态过程中， 准静态过程中，系统所经历的每一个状态都可以看作是平衡 所以， 态，所以，准静态过程可以用以状态参量为坐标轴的坐标系 中的连续曲线（ 来表征。 中的连续曲线（面）来表征。 这些曲线（ 这些曲线（面）所对应的解析式，就是状态方程。 所对应的解析式，就是状态方程。 非静态过程不能在图上表示。 非静态过程不能在图上表示。
例题：如图所示，某一理想气体体系由初态a经由准静态过程ab 直线变到状态b。若已知该种理想气体的定体摩尔热容为3R， 求：该气体在过程ab中的摩尔热容。
P a
热力学的基本定律
热力学的基本定律热力学是物理学的重要分支，研究能量转化和能量传递的规律。
热力学的基本定律是人们对自然界能量行为的总结和抽象，它们是热力学研究的基础，无论对于基础理论还是实际应用，都起着不可替代的作用。
第一定律，也称为能量守恒定律，规定了能量的转化和守恒关系。
能量既不能从不存在中产生，也不能消失，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第一定律可以表达为：能量的改变等于系统所接受的热量减去系统所做的功。
热量和功的定义对于理解第一定律至关重要。
热量是系统与外界之间由于温度差异而发生的能量传递。
它是微观粒子间的热运动的结果，能够使系统的内能增加。
功是由于力的作用而引起的移动过程中的能量转化。
例如，当一个物体在外界作用下发生位移时，外界对物体做的功就是能量的转化。
第一定律的应用范围非常广泛。
它不仅适用于封闭系统，也适用于开放系统和孤立系统。
无论是理论研究还是工程实践，都要遵循能量守恒的基本原则。
第二定律，也称为热力学定律，规定了能量传递的方向和能量转化的有效性。
根据第二定律，热量不能自发地从低温物体传递给高温物体，而只能由高温物体传递给低温物体。
这是热力学中著名的“热量不可逆性”原理。
熵是衡量系统有序程度的物理量，也是热力学第二定律的核心概念。
根据第二定律，系统的熵在自发过程中不会减少，而只能增加或保持不变。
熵增加是热力学不可逆性的体现，可以用来解释许多自然现象，如热量传导、热力机械循环等。
热力学第二定律对于工程实践尤为重要，例如温度差发电装置就是利用热量传递的不可逆性将热能转化为电能。
同时，第二定律也对生态学研究产生了深远影响，例如生态系统的稳定性和物种多样性都可以通过热力学原理进行解释和理解。
第三定律，也称为热力学第零定律，涉及到温度的概念。
温度是描述物体热平衡状态的物理量，热力学第三定律给出了温度测量的原则。
根据第三定律，当一个系统达到绝对零度（0K）时，它的熵将达到最小值。
绝对零度是理论上的最低温度，不存在的温度。
材料热力学(三大定律)要点
Q Qc Qc 则： I h 1 Qh Qh
根据Carnot定理： 则
Th Tc Tc R 1 Th Th
I R
Qc Q h 0 Tc Th
n Qi 0 < 0 i Ti I
将不可逆热机的结论推广到任意的不可逆循环，则：
二、不可逆过程的热温商
热力学第二定律的数学表达
Clausius不等式
SAB
对于微小变化：
Q ( ) A B T i
Q dS T
Q 是实际过程的热效应，T是环境温度。若是不可逆过 程，用“>”号，可逆过程用“=”号，这时环境与系统温度相同。
熵增加原理
2、 等温、等压可逆相变（若是不可逆相变，应设计始终 态相同的可逆过程）
解法1
22.4 V2 S (O 2 ) nR ln 0.5R ln V1 12.2
0.5 mol 0.5 mol O 2 (g) N 2 (g)
22.4 S (N 2 ) 0.5 R ln 12.2
22.4 nR ln 2 > 0 mix S S (O2 ) S (N2 ) nR ln 12.2
SAB
B Q T A I
如AB为可逆过程
Q S A B T i R,A B
S是状态函数，在确定的始、终态间，ΔS为定值，与过程是否 可逆无关。但过程的热温商之和与过程是否可逆有关。若可逆则过程 的热温商之和等于ΔS；若过程不可逆则过程的热温商之和小于ΔS。
H (相变） S (相变） T (相变）
3、 理想气体（或理想溶液）的等温混合过程，并符合分 体积定律，即 x V
B B
V
mix S R nB ln xB
热力学第一定律
第二讲 热力学第一定律§2.1 改变内能的两种方式热力学第一定律2．1．1、作功和传热作功可以改变物体的内能。
如果外界对系统作功W 。
作功前后系统的内能分别为1E 、2E ，则有W E E =-12没有作功而使系统内能改变的过程称为热传递或称传热。
它是物体之间存在温度差而发生的转移内能的过程。
在热传递中被转移的内能数量称为热量，用Q 表示。
传递的热量与内能变化的关系是Q E E =-12做功和传热都能改变系统的内能，但两者存在实质的差别。
作功总是和一定宏观位移或定向运动相联系。
是分子有规则运动能量向分子无规则运动能量的转化和传递；传热则是基于温度差而引起的分子无规则运动能量从高温物体向低温物体的传递过程。
2．1．2、气体体积功的计算1、准静态过程一个热力学系统的状态发生变化时，要经历一个过程，当系统由某一平衡态开始变化，状态的变化必然要破坏平衡，在过程进行中的任一间状态，系统一定不处于平衡态。
如当推动活塞压缩气缸中的气体时，气体的体积、温度、压强均要发生变化。
在压缩气体过程中的任一时刻，气缸中的气体各部分的压强和温度并不相同，在靠近活塞的气体压强要大一些，温度要高一些。
在热力学中，为了能利用系统处于平衡态的性质来研究过程的规律，我们引进准静态过程的概念。
如果在过程进行中的任一时刻系统的状态发生的实际过程非常缓慢地进行时，各时刻的状态也就非常接近平衡态，过程就成了准静态过程。
因此，准静态过程就是实际过程非常缓慢进行时的极限情况对于一定质量的气体，其准静态过程可用V p -图、T p -图、T v -图上的一条曲线来表示。
注意，只有准静态过程才能这样表示。
2、功在热力学中，一般不考虑整体的机械运动。
热力学系统状态的变化，总是通过做功或热传递或两者兼施并用而完成的。
在力学中，功定义为力与位移这两个矢量的标积。
在热力学中，功的概念要广泛得多，除机械功外，主要的有：流体体积变化所作的功；表面张力的功；电流的功。
热力学的规律热力学过程和热力学定律
热力学的规律热力学过程和热力学定律热力学是研究能量转化和传递规律的学科。
它研究热、功、能量转化和它们的相互关系。
在热力学中，有三个基本定律，是热力学研究的基础，它们分别是热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。
热力学定律是热力学的核心，它们描述了自然界中能量转化和传递的规律。
1. 热力学第一定律热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，它表明能量在系统内的转化是一定的。
根据热力学第一定律，系统所吸收的热量与系统所做的功相等，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第一定律的数学表达式为：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统所吸收的热量，W表示系统所做的功。
热力学第一定律可以用来解释许多自然界中的现象，例如动力机械的工作原理、热机的效率等。
2. 热力学第二定律热力学第二定律描述了能量传递的方向性。
根据热力学第二定律，热量只能自高温物体自发地传递到低温物体，而不能反过来。
这表明自然界中存在一种趋势，即热量的传递方向是从高温物体到低温物体，称为热量的传导。
此外，热力学第二定律还提出了熵的概念，熵是描述系统无序程度的物理量。
根据热力学第二定律，任何一个孤立的系统的熵都会不断增加，这也对自然界中许多现象进行了解释，例如混乱的液体会渐渐变得清澈、腐烂的食物会产生臭味等。
3. 热力学第三定律热力学第三定律描述了当温度趋近绝对零度时，物质的性质和行为出现的变化。
根据热力学第三定律，当温度趋近绝对零度时，物体的熵趋近于零，系统的分子无序性趋近最小，物体的性质和行为呈现出特殊的状态。
这一定律对研究低温物理学、固体材料和量子力学等领域有着重要的意义。
热力学过程是研究物质在能量交换的过程中所经历的变化。
热力学过程可以分为等温过程、绝热过程、等容过程和等压过程等。
在等温过程中，系统和外界的温度保持不变；在绝热过程中，系统与外界没有能量交换；在等容过程中，系统的体积保持不变；在等压过程中，系统的压强保持不变。
热力学第一二三定律及其应用
热力学第一二三定律及其应用热力学是研究热和能量转换的学科，而热力学第一二三定律是热力学最基本的三个定律，它们是热力学研究的重要基础。
本文将分别介绍这三个定律及其应用。
一、热力学第一定律热力学第一定律，又称能量守恒定律，指的是热力学系统中总能量的守恒性。
即在一个孤立系统中，能量不能被创造或者消失，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第一定律的应用十分广泛，如能源的转换和利用，汽车发动机的设计和优化，太阳能电池的制造等。
在能源转换和利用中，第一定律可以用于分析能量流和预测系统的效率。
例如，在热能发电中，热能被转化为机械能，然后机械能通过发电机转化为电能。
在这个过程中，第一定律可用于计算电站的总输电量和节约燃料的方式。
二、热力学第二定律热力学第二定律，又称熵增定律，指的是孤立系统熵的增加。
热力学中的熵可以理解为系统的无序度量。
第二定律表明，任何一种孤立系统都倾向于变得更加无序。
热力学第二定律的应用涉及工程、环境和生物学等众多领域。
例如，在热机中的工程热力学和制冷技术中的制冷循环，都需要考虑热力学第二定律。
在环境保护方面，热力学第二定律可用于分析和预测环境的变化。
而在生物学中，热力学第二定律被用于解释生物体内的化学反应和代谢。
三、热力学第三定律热力学第三定律，又称绝对熵零点定律，提出了一个没有可能达到的理论极限：当温度趋向于绝对零度时，任何孤立系统的熵趋于零。
热力学第三定律被认为是热力学三大定律中最不直观和理论化的一个。
热力学第三定律的应用相对较少。
它主要被用于特定领域的研究，如半导体材料的研究、超导体的研究以及天体物理学的研究。
结论热力学第一二三定律是热力学基本的三个定律，它们在各种科学和工程领域中都有广泛的应用。
这三个定律为科学家和工程师提供了分析和优化物理系统的框架和方法。
在工业、环境和生物学等领域，热力学技术的应用是不可或缺的。
热学三个定律
热学三个定律热学三个定律是指热力学中的三个基本定律，它们分别为热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。
这些定律是理解和应用热力学的基础。
一、热力学第一定律热力学第一定律也称为能量守恒定律，它表明能量在物理系统中不能被创造或毁灭，只能从一个形式转换为另一个形式。
该定律可以表示为：在任何过程中，能量的总量保持不变。
这个定律可以用来解释许多自然现象，例如化学反应、机械运动和电子运动等。
在化学反应中，发生的化学反应会使化合物之间的键断裂和形成，这些过程涉及到能量的转移。
根据热力学第一定律，在化学反应中消耗的能量必须等于生成的能量。
同样，在机械运动中，机械系统所消耗的能量必须等于所产生的功。
二、热力学第二定律热力学第二定律是指在任何可逆过程中，系统总是趋向于更高的无序状态。
这个定律也可以表述为热量不能从低温体传到高温体而不产生其他影响。
这个定律是热力学的一个基本原理，它解释了为什么一些过程是不可逆的。
例如，热量不能从低温物体自动转移到高温物体，因为这将违反热力学第二定律。
在一个封闭系统中，如果没有外部能量输入，系统会趋向于均匀分布其内部能量。
这样的过程是不可逆的，因为它增加了系统的无序度。
三、热力学第三定律热力学第三定律是指在绝对零度下，任何纯晶体都具有相同的零点熵值。
这个定律也可以表述为：当温度趋近于绝对零度时，所有物质的熵趋近于一个常数值。
这个定律解释了物质在极低温度下的行为，并提供了一种方法来计算和比较材料之间的熵差异。
例如，在制备超导材料时，需要知道材料在极低温度下的行为和性质。
总结：热学三个定律是理解和应用热力学的基础。
其中，热力学第一定律表明能量在物理系统中不能被创造或毁灭，只能从一个形式转换为另一个形式；热力学第二定律解释了为什么一些过程是不可逆的；热力学第三定律解释了物质在极低温度下的行为，并提供了一种方法来计算和比较材料之间的熵差异。
这些定律是理解自然现象和应用科学技术的基础。
热力学第一定律的定义
热力学第一定律的定义热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，是热力学中最基本的定律之一。
它表明了能量在系统中的守恒性质，即能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
根据热力学第一定律，对于一个封闭系统，能量的变化等于系统所接收的热量与系统所做的功的代数和。
这可以用以下公式表示：ΔU = Q - W其中，ΔU是系统内能的变化，Q是系统所接收的热量，W是系统所做的功。
热力学第一定律的本质是能量守恒。
它告诉我们，能量是一个宝贵的资源，不能被轻易浪费。
通过合理利用能量，我们可以实现能源的可持续利用，减少能源的浪费，保护环境，促进可持续发展。
在日常生活中，我们可以通过一些简单的例子来理解热力学第一定律的应用。
比如，当我们在室内使用空调时，空调通过消耗电能来提供制冷效果。
根据热力学第一定律，消耗的电能转化为制冷效果和一些其他形式的能量，如热量和噪音。
如果我们能够合理利用室内的隔热材料和优化空调的使用方式，就可以减少电能的消耗，实现节能减排的目标。
在工业生产中，热力学第一定律也起着重要的作用。
许多工业过程都涉及能量的转化和利用。
无论是化工生产、电力生产还是制造业，都需要合理利用能源，提高能源利用效率，降低生产成本。
通过对能量流动和转化的研究，我们可以找到优化工艺和改进设备的方法，实现能源的高效利用。
除了在宏观层面上应用热力学第一定律，我们还可以将其应用于微观层面的分子运动。
分子热运动是由于分子内部能量的转化而引起的，而这种能量转化也符合热力学第一定律的要求。
通过研究分子的热运动，我们可以了解物质的性质和行为，为材料科学和化学等领域的发展提供理论基础。
热力学第一定律是热力学的基础，也是能量守恒的基本原理。
它告诉我们能量在系统中的转化和利用方式，为我们合理利用能源、实现可持续发展提供了重要的理论支持。
通过研究和应用热力学第一定律，我们可以更好地理解自然界中的能量现象，推动科学技术的进步，为人类社会的可持续发展做出贡献。
第二章热力学第一定律
W ' Vf pdV Vi
W W ' Vf pdV Vi
体系的体积增大时，体系对环境的作用力与力的作用
点的位移同向，体系对环境作了正功，体系的能量减少；
反之，若体系的体积缩小，体系对环境作负功，即环境对
体系作了正功，体系的能量增加。
（2）表面功
以液膜为例
框内有一个双表面的液体膜，液体的表面张力为
正、负规定：吸热，Q >0；放热， Q <0
单位：J、cal、atm·l 等
表示法：宏观过程的热用Q 表示，微小过程的微量热 用Q 表示。注意与状态函数表示法区分
Note： （1）热量与热能（与系统温度有关的热运动能量） （2）热量与能量（过程量与状态量） （3）作功与传热是系统与外界相互作用的方式 （作功：通过广义功产生广义位移而实现是宏观形式； 传热：是热运动能量的转移是微观形式，常常与耗散有关）
Note:
(1)热力学中所谈的功都 是指体系与环境通过 它们的边界相互作用 的功；
(2)关于功的规定，采用 1970年IUPAC所建议 的W或W代表环境对 体系所作之功。
正、负规定： 环境对系统作功，W >0； 系统对环境作功，W <0
单位：J、cal、atm·l 等
体积功 W 机械功
功
电功 表面功
W ' EdQ
若正电荷通过的量为n，电池对外界作的功为：
W ' nEF
当外加电池上的电位差比E略大时，在无摩擦准 静态过程中外界对电池作电功：
W EdQ
W nEF
综合：
在无摩擦准静态过程中的不同形式的微功，通式 (一个强度量与一个广度量的乘积)：
热力学第一定律及其应用
热力学第一定律及其应用热力学是一门研究能量转化和传递的科学，其中的第一定律是能量守恒定律的一个特例。
在热力学中，能量可以在物体间以热量和功的形式进行转换和传递。
热力学第一定律表明，能量不会从无中产生，也不会消失，只会从一处转移到另一处。
热力学第一定律可以用以下方程表示：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表示系统所做的功。
当一个系统吸热时，它的内能将增加。
例如，当将一杯温度较低的水放在一个加热器上时，水的温度会上升，这是因为系统吸收了加热器放出的热量。
这个过程中，水的内能增加，对应于热量的增加。
相反，当一个系统做功时，它的内能将减少。
例如，当我们用手推动一辆自行车时，人体的能量被用来做功，驱动自行车行驶。
在这个过程中，人体的内能减少，对应于做功。
除了能量守恒，热力学第一定律还提供了一种计算系统内能变化的方法。
通过测量系统吸收的热量和所做的功，我们可以计算出系统的内能变化。
这对于工程领域的能量转换和传递至关重要。
热力学第一定律在许多领域具有广泛的应用。
其中一个应用是工程热力学，用于设计和优化能量转换设备，如汽车发动机和发电厂。
通过使用第一定律的原理，工程师可以更好地理解和控制能量转化的过程，以提高系统的效率和性能。
另一个应用是热力学循环，如蒸汽轮机和制冷循环。
这些循环是将热能转化为功的常见方式。
通过应用热力学第一定律，我们可以计算出循环的效率，并优化循环的设计和工作条件，以提高能量转化的效率。
热力学第一定律还可以应用于生物体内能量转化和代谢的研究。
生物体在进行各种代谢活动时需要能量，并通过食物摄取和新陈代谢过程来获取能量。
通过热力学第一定律，我们可以理解生物体内能量转化的基本原理，从而有助于研究和优化生物化学过程。
除了上述应用，热力学第一定律还在环境科学、材料科学和天文学中发挥作用。
总的来说，热力学第一定律是能量转化和传递研究的基础，为各个领域的科学和工程提供了重要的理论基础。
热力学中的热力学定律
热力学中的热力学定律热力学是研究能量转化和能量运动规律的学科，其研究对象包括热、功和能量等。
在热力学领域中，有许多重要的定律来描述能量的转移和转化过程。
本文将介绍热力学中的几个基本定律，包括热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。
一、热力学第一定律热力学第一定律，也称能量守恒定律，是热力学中最基本的定律之一。
它表明在一个孤立系统中，能量不能被创造或破坏，只能从一种形式转化为另一种形式。
换句话说，能量的总量在任何一个系统中是恒定的。
根据热力学第一定律，能量可以被转化为热量和功。
当系统从外界吸收热量时，内部的能量增加；当系统对外界做功时，内部的能量减少。
这个定律为我们理解自然界中能量的转化过程提供了基础。
二、热力学第二定律热力学第二定律是描述能量转移和转化方向的定律。
它表明在一个孤立系统中，自发过程的熵不会减少，即系统趋向于向更高熵的状态发展。
熵是一个描述系统混乱程度的物理量。
热力学第二定律指出，自然趋向于从有序向无序的方向发展，即系统的熵增加。
这个定律揭示了自然界中存在的不可逆过程，如热量从高温物体传递到低温物体的热传导。
热力学第二定律还引申出了热力学效率的概念。
热力学效率是指在能量转化过程中有用能量与总输入能量之比。
根据热力学第二定律，任何热机的效率都不可能达到100%。
这是因为在能量转换过程中总会有一部分能量转化为无用的热量。
三、热力学第三定律热力学第三定律是热力学中最后一个基本定律。
它描述了温度趋向绝对零度时的行为，即系统在绝对零度时（0K）达到熵的最小值。
根据热力学第三定律，当温度趋近于绝对零度时，物质的熵趋近于零。
这个定律也成为Nernst定理，它为实现绝对零度提供了理论基础。
热力学第三定律的意义在于揭示了温度趋于绝对零度时物质的行为，也为材料科学和凝聚态物理学领域的研究提供了重要理论支持。
总结热力学中的热力学定律包括热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。
热力学第一定律描述了能量的转移和转化，热力学第二定律指明了能量转移的方向，热力学第三定律揭示了温度趋近于绝对零度时系统的行为。
热力学第一定律及其应用
热力学第一定律及其应用热力学是一门研究物质的宏观热现象和能量转化与传递规律的学科。
作为热力学最基本的原理之一，热力学第一定律对于我们理解和应用能量转化与传递具有重要的意义。
本文将从热力学第一定律的原理出发，探讨其应用于实际问题中的案例。
热力学第一定律是能量守恒定律在热力学系统中的表达形式。
它指出，一个封闭系统的内能变化等于系统所吸收的热量与对外界所做的功之和。
即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表示系统对外界所做的功。
该定律在热力学的研究中具有广泛的应用，下面将介绍其中几个重要的应用领域。
首先，热力学第一定律在工程领域中有着广泛的应用。
以热力机械领域为例，根据热力学第一定律，我们可以计算出热力机械设备在工作过程中的热效率。
热效率是指热能转化为有用功的比例，可以通过热力学第一定律中的公式计算得到。
通过提高热效率，可以有效提升机械设备的能源利用率，降低资源消耗，从而达到节能减排的目的。
其次，热力学第一定律在能源系统分析中有着重要的应用。
能源系统的分析可以帮助我们深入了解能量的流动与转化规律，从而为能源的有效利用提供理论依据。
利用热力学第一定律，我们可以对能源系统进行能量平衡分析，找出能量流失的原因，并通过改进设计和优化操作来提高能源系统的效率。
这对于提升能源利用率和减少能源消耗具有重要的意义。
再次，热力学第一定律在化学反应和化学工程中也有着重要的应用。
在化学反应中，根据热力学第一定律，我们可以计算反应过程中释放或吸收的热量，从而对反应条件进行控制和优化。
在化学工程中，通过应用热力学第一定律，我们可以对化学过程中的能量转化进行分析和计算，提高工艺的能量利用效率，减少能源消耗和环境污染。
此外，热力学第一定律还可以应用于材料科学和地球科学领域。
在材料科学中，热力学第一定律可以用于研究材料的热变形和热疲劳行为，指导材料的设计和工程应用。
在地球科学领域，热力学第一定律可以用于解释地球内部热力学过程，如地热资源的形成与分布，地壳运动和地震等现象。
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① ΔHa→b
∫C
590 600
p(s)
dT
● 590K液体Pb
a
④ΔH
● 590K固体Pb
d
∫ (23.56
+ 0.00975T)d T
= _ 293.92
ΔHa→d= ΔHa→b + ΔHb→c + ΔHc→d=305.85-4811.60-293.92=-4799
[习题3] 已知 Sn在(熔点)505K时的熔化热为7070.96 J/mol, 并有 Cp(l) =34.69 − 9.20×10-3T J/(mol· K) Cp(s) =18.49 + 26.36×10-3T J/(mol· K) 计算 Sn在绝热器内过冷到495K时能自动凝固的分数 [解] 设体系为1mol Sn ；其中x mol凝固为固体，(1-x )mol仍为液体 ，此时 505K两相共存 c ● 按路径 a → b → c ②ΔHm
焦耳（Joule）和迈耶(Mayer)自1840年起，历经多年， 通过各种实验求证热和功的转换关系，得到一致的结果，提 出了“热功当量”的概念” 确立了热功当量关系： 1 Joule = 0.241 cal 后来更精确地测定为:1 Joule = 0.2389 cal 1847年，亥姆霍兹发表《论力的守恒》，第 一次系统地阐述了能量守恒原理，从理论上 把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、 磁、化学反应等过程。它们不仅可以相互转 化，而且在量上还有一种确定的关系。
1843年焦耳在英国科学协会会议 上宣读了《论磁电的热效应及热的机械 值》论文，强调了自然界的能是等量转 换、不会消灭的。焦耳先后用不同的方 法做了400多次实验，得出结论：功当 量是一个普适常量，与做功方式无关。
第一章 热力学第一定律
§1-1 热功当量·····(为第一定律的建立奠定了实验基础)
Clausius没有对U命名，次年Lord Kelvin称U为内能（internal energy） 。
第一章 热力学第一定律
§1-2 热力学第一定律
热力学第一定律的数学表达形式： ΔU = Q + W (1-1)
物理意义：体系内能的增量等于体系吸收 的热量减去体系对环境作的功。包括体系 和环境在内的能量守恒。
d
∫ (32.43
- 0.0031T)dT
= 305 .85
§1-5 焓变计算
b
②ΔHm
第一章 热力学第一定律
ΔHa→d= ΔHa→b + ΔHb→c + ΔHc→d ΔH b→c =ΔH m (600K) = - H 凝固
● 600K液体Pb
● 600K固体Pb ③
c
H c →d = =
600 590
第一章 热力学第一定律
§1-2 热力学第一定律
能量守恒与转化定律：自然界的一切物质具有能量，能量有各种不同形 式，能够从一种形式转化为另一种形式，在转化中，能的形式可以转化， 但能量的总值不变。
将能量守恒定律应用到热力学上，就是热力学第一定律。
第一章 热力学第一定律
热力学第一定律反映了系统对外作功必须从外界吸收热 量或者减少系统内能，即第一类永动机不可能实现。
J.R. Mayer (18141878年) •1842年提出了能 量转换定律
J.P. Joule (1818-1889年) •发现能量转换定 律并计算出热功当 量。
L. Kelvin (W. Thomson,1824-1907年) •1848年建立了热力学温标， 并在其著作中首次使 ″Thermodynamic″一词。
对于恒容过程, dV = 0
δQV = dU ΔU=QV
(1-4)
第一章 热力学第一定律
§1-4 焓和比热容
热容定义为
当温度变化很小时
恒容热容 恒压热容
* 当温度由T1变化为T2时：
§1-5 焓变计算
1）焓是装态函数，当始末两平衡态确定后， 系
统的焓变也是确定的, 与过程无关.
2）当系统分为几个部分时， 各部分的焓变之 和等于系统的焓变 .
材料热力学：从能量的角度研究材料
授课内容
第一章 热力学第一定律
热力学是研究热和其它形式能量之间的转换关系 它包含当体系变化时所引起的物理量的变化。 若两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则他们彼此之 间处于热平衡。 按照福勒(R.H.Fowler)在l93l年提 出的建议，上述公理称之为热力 学第零定律。 热力学第零定律是引出温度概念 建立温标的基础。
上节课回顾
材料热力学和材料科学
现代材料科学发展的主要特怔之一：对材料的微观层次的认识在不断进步。
上节课回顾
材料热力学和材料科学
一种误解： ������ 只有在微观尺度上对材料的直接分析才是深刻把握材料组织结构形成规律 的最主要内容和最主要途径； ������ 对焓、熵、自由能、活度等抽象的概念不再需要更多地加以注意。 这是有问题的!! ������ 热力学的主要长处正在于它的抽象性和演绎性； ������ 现代材料科学的每一次进步和发展都一直受到经典热力学和统计热力学 的支撑和帮助。 材料热力学的形成和发展正是材料科学走向成熟的标志之一 ������ 材料科学的进步拉动材料热力学的发展； ������ 材料热力学的发展又在为材料科学的进一步发展准备基础和条件。
上节课回顾 热力学发展简史
热学发展史是热力学和统计物理学的发展史，可以划分为四个时期：
第一个时期，开始于17世纪末直到19世纪中叶。关于热的本性展开了研究和争 论，为热力学理论的建立作了准备，在19世纪前半叶出现的热机理论和热功相 当原理已经包含了热力学的基本思想。 第二时期从19世纪中叶到19世纪70年代末。这个时期发展了唯象热力学和分 子运动论。这些理论的诞生直接与热功相当原理有关。热功相当原理奠定了热 力学第一定律的基础。它和卡诺理论结合，导致了热力学第二定律的形成。热 功相当原理跟微粒说（唯动说）结合则导致了分子运动论的建立。而在这段时 期内唯象热力学和分子运动论的发展还是彼此隔绝的。 第三时期内唯象热力学的概念和分子运动论的概念结合的结果，最终导致了统 计热力学的产生。它开始于19世纪70年代末玻尔兹曼的经典工作，止于20世 纪初。这时出现了吉布斯在统计力学方面的基础工作。 从20世纪30年代起，热力学和统计物理学进入了第四个时期，这个时期内出现 了量子统计物理学和非平衡态理论，形成了现代理论物理学最重要的一个部门 。
若体系发生微小的变化，内能的变化 dU = δQ + δW · · · · · · (1-2)
第一章 热力学第一定律
§1-4 焓和比热容
设体系在变化过程中只作体积功，不作其它功 对于准静态 δQ = dU - δW = dU + pdV （1-3） 令H ≡ U+pV, H称为焓或热焓 dH=dU+d(PV) ΔH=ΔU+Δ(PV) 对于恒压过程, dp = 0 δQ = dH ΔH=Qp (1-4)
b
● 1mol液体 505K
x mol固体 （1-x） mol液体 因体系绝热，H值恒定(ΔHa→c =0) 505K
① ΔHa→b ● 1mol液体 Sn 495K
③ ΔHa→c
∴ΔH a (液, 495K) → b(液, 505K) - x ·ΔH m(505K) = 0 ΔH m(505K) =7070.96 J/mol
上节课回顾 热力学发展简史
N.L.S. Carnot (1796-1832年) •1824年发表了著 名的论文“火的 动力的思考”阐 述了卡诺循环及 卡诺定理。
热 力 学 历 史 名 家
H.L. Helmholtz (1814-1878年) •1847年推导出能量 转换定律
R.J.E. Clausius (1822-1888年) •1850年第一个阐述了两 个基本规律：热力学第 一、第二定律。他提出 了“热力学能”U和 “熵”S的概念
上节课回顾 材料的制备、结构、性能与能量的关系
工程材料的四个重要的概念和共性问题：性能、结构、过程 和能量。 性能决定于结构，而结构决定于能量和过程
能量 过程
结构
性能
因此、要改善材料的性能就要控制材料的微观结构，而微观结构的控制和制备 材料的工艺和使用的条件也就是能量的大小等有关
材料研究，从形式和目的看，是研究材料的结构和性能，而 从根本上讲是研究材料的能量和过程，这是材料热力学所要 解决的问题，也是这门学科的意义所在
约280年前，有位德国博士奥尔菲留斯发明了一个“永动机” —自动轮。 最后骗局被博士先生的女仆揭穿了。原来这间安放自动轮的房 子里修了一个夹壁墙，只要有人在夹壁墙内牵动绳子，轮子就 会转。轮子不是“永动”的，而是“人动”的。
第一章 热力学第一定律
§1-2 热力学第一定律
德国科学家R. Clausius是第一位把热力学第一定律用数学形式 表达出来的人。 1850年，Clausius所发表论文中，以水蒸发为例，认 为物体热量的增加量dQ等于物体中热量的变化dH、内 功的变化dJ和外功变化dW的和，即：
无数事实证明：冷热不同的两个物体相接触，它们的温度逐 渐接近，最后达到相同。这时，我们说两个物体达到了热平 衡。
热力学第零定律也可以表示为：一切互为热平衡 的物体，具有相同的温度。
第一章 热力学第一定律
§1-1 热功当量·····(为第一定律的建立奠定了实验基础)
1842年Mayer发表了《论无机性质 的力》的论文，表述了物理、化学过程中 各种力（能）的转化和守恒的思想。迈尔 是历史上第一个提出能量守恒定律并计算 热功当量的人。
如下图所示，设计3个过程求ΔHa→d
● 600K液体Pb
b
②ΔHm
● ΔHa→d= ΔHa→b + ΔHb→c + ΔHc→d 600K固体Pb ③ΔHc→d