02章 热力学第一定律及其应用
热工流体第二章 热力学第一定律
第二章 热力学第一定律第一节 第一定律的实质及热力学能和总能能量守恒与转换定律是自然界的基本规律之一，它指出：自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量总量不变。
热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用。
它确定了热力过程中热力系统与外界进行能量交换时，各种形态能量数量上的守恒关系。
一、热力学能热力学能是与物质内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关的能量。
它包括分子移动、转动、粒子震动运动的内动能和分子间由于相互作用力的存在而具有的内位能，故又称内能。
内动能取决于分子热运动，是温度的函数，而内位能取决于分子间的距离，是比体积的函数，即u = f ( T, v )二、总能除热力学能外，工质的总能量还包括工质在参考坐标系中作为一个整体，因有宏观运动速度而具有动能、因有不同高度而具有位能。
前一种能量称之为内部储存能，后两种能量则称之为外部储存能。
我们把内部储存能和外部储存能的总和，即热力学能与宏观运动动能和位能的总和，叫做工质的总储存能，简称总能。
即p k E U E E =++ （2-1）E---总能； U---热力学能； E k ---宏观动能； E p ---宏观位能。
第二节 第一定律的基本能量方程及工质的焓一、焓在有关热力计算总时常有U+pV 出现，为了简化公式和计算，把它定义为焓，用符号H 表示，即H=U+pV （2-2）1kg工质的焓值称为比焓，用h表示，即h=u+pv （2-3）焓的单位是J，比焓的单位是J/kg。
焓是一个状态参数，在任一平衡状态下，u、p和v都有一定得值，因而焓h也有一定的值，而与达到这一状态的路径无关。
当1kg工质通过一定的界面流入热力系统时，储存于它内部的热力学能当然随着也进入到系统中，同时还把从外部功源获得的推动功pv带进了系统。
因此系统中因引进1kg工质而获得的总能量是热力学能与推动功之和（u+pv），即比焓。
02第二章 热一律2-1热力学第一定律的实质及表达式
吸热膨胀作功（参看图2-3c） 吸热膨胀作功 外界供给热量 –Q 膨胀功 –W 热力学能 –U2
排气过程中（参看图2-3d） 排气过程中 外界消耗排气功 外界获得推动功 排气后（参看图2-3a） 排气后 质量 m = 0 总能量 E2 = 0
开口系在一个工作周期中的能量进出情况
Q=Q ∆E = 0
1 2 2 w = ( p2 v2 − p1v1 ) + (c2 − c1 ) + g ( z 2 − z1 ) + wsh 2
（2-16）
总功（Wtot ）、膨胀功（W ）、技术功（ W t ）和轴功 （W sh ）之间的区别和内在联系 膨胀功、技术功、轴功孰大孰小取决于 ( p 2 v2 − p1v1 ) 1 2 2 (c2 − c1 ) 、 g ( z 2 − z1 ) 的大小和正负。
二、热力学第一定律表达式
1、一般热力系能量方程
- 热力学第一定律基本表达式
热力系总能量(total stored energy of system)为E（图2-1a）。它是 热力学能（U）、宏观动能（EK）和重力位能（EP）的总和： 热力学能，内部储存能 热力学能，
E =U+Ek +Ep
宏观动能 总能 宏ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ位能 外部储存能
e =u+ek +ep
根据质量守恒定律可知：热力系质量的变化等于流进和流出 质量的差：
dm = δm1 − δm2
根据热力学第一定律可知：
热力系输出的能量的总和= 加入热力系的能量的总和 - 热力系输出的能量的总和=热力系总能量的增量
（δQ + e1δm1） (δW总 + e2δm2 ) = ( E + dE ) − E −
热力学第02章 第一定律
推动工质移动所作的功；或因工
质在开口系统中流动而传递的功。
pAx pV mpv
推动功作用在质量m上。m被推入系统内，所以推动功随质量 m一起进入系统。 推动功的意义：工质m流入系统所带入的功(外界对系统作功)；
工质m流出系统所带出的功(系统对外界作功)。
2.推动功(flow work; flow energy)： p，v ⊿x 如果工质在传递推动功的时候没有热力状态的变化，当然也不 会有能量形态的变化。此时工质所起的作用只是单纯的运输能 量，就像传送带一样，把这部分推动功传递到其他地方。 p
热力学第一定律：
进入系统的能量 —
离开系统的能量 = 系统内部能量的增量
第一定律定第一表达式 第一定律定第二表达式
Q dU W
Q dH Wt
上节课内容回顾
第一定律第一解析式 —— 热 功的基本表达式
Q U W q u w
1）对于可逆过程
δQ dU δW δq du δw
第二章 热力学第一定律
the first law of thermodynamics
§2-1 热力学第一定律的实质
实质：能量传递和形态转化以及总量的守恒。（在工程
热力学的研究范围内，主要考虑的是热能和机械能之间的 相互转化和守恒的规律） 热力学第一定律是实践经验的总结。第一类永动机迄今都 不存在，而且由第一定律所得出的一切推论都和实际经验 相符，可以充分说明它的正确性。 第一类永动机（不消耗能量而作功）是不可能造出来的。
出口2 假如工质从状态1到状态2做膨胀功是w。那么在不考虑工质宏 观动能和位能变化时，开口系和外界交换的功量是膨胀功与流 动功的差值： 注：如需要考虑工质的动能和位能变化，还应该计算动能差 和位能差
第2章热力学第一定律
功
定义:
种类:
除温差以外的其它不平衡势差所引起 的系统与外界传递的能量.
1．膨胀功W： 在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。
膨胀功是热变功的源泉 单位：l J=l Nm 规定: 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。
2 轴功W: 通过轴系统与外界传递的机械功 注意:
刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换
热量
定义：
在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。
规定: 系统吸热热量为正，系统放热热量为负 单位： kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ 特点:
是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关
• 当热力系与外界之间温度不等而发生热接
触时，彼此将进行能量的交换。热力系与 外界之间依靠温差传递的能量称为热。 • 热和功是物系在与外界相互作用的过程中 传递的能量，传热和作功是热力系与外界 传递能量的两种方式。它们是过程量而不 是状态量，因此说“物体具有多热量”及 “物体具有多少功量”都是错误的。 • 在热力学中规定：热力系吸热时热量取正， 放热时取负号。在法定计量单位中，热量 的单位为焦耳，单位符号J。单位质量的物 体与外界交换的热量称为比热量。
准静态 pdv d ( pv) wt
wt pdv d ( pv) pdv ( pdv vdp) vdp
wt vdp
wt vdp
q du pdv 热一律解析式之一 准静态 q dh vdp 热一律解析式之二
技术功在示功图上的表示
少了推进功
Q
Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv
第二章 热力学第一定律
（二）热力学第一定律
热力学第一定律实质就是能量守恒和转换 定律在热现象上的应用。 表述1：热可以变为功，功也可以变为热；一 定量的热消灭，必产生一定量的功；消耗一 定量的功时，必出现与之相应数量的热。
表述2：第一类永动机是造不成的
First Law of Thermodynamics
In 1843, at the age of 25, James Prescott Joule did a series of careful experiments to prove the equivalence of heat and work.
A p V
dl
对推进功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
3、w推＝pv与所处状态有关，是状态量 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量
可理解为：由于工质的进出，外界与系统之
间所传递的一种机械功，表现为流动工质进 出系统使所携带和所传递的一种能量
4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。
三、稳定流动能量方程
Energy balance for steady-flow systems
稳定流动条件
（P22)
1、
•
•
•
mout min m
2、
•
Q Const
min
uin 1 2
c
2 in
gzin
3、
•
•
Wnet ConstWs
三、总能
热力系统的储存能： 储存于热力系统的能量。 （1）内部储存能———热力学能 （2）外部储存能———宏观动能，宏观位能。
物理化学第二章热力学第一定律主要公式及其适用条件
第二章 热力学第一定律主要公式及使用条件1. 热力学第一定律的数学表示式W Q U +=∆或 'a m b δδδd δd U Q W Q p V W=+=-+ 规定系统吸热为正，放热为负。
系统得功为正，对环境作功为负。
式中 p amb 为环境的压力，W ’为非体积功。
上式适用于封闭体系的一切过程。
2.焓的定义式3. 焓变（1） )(pV U H ∆+∆=∆式中)(pV ∆为pV 乘积的增量，只有在恒压下)()(12V V p pV -=∆在数值上等于体积功。
（2） 2,m 1d p H nC T ∆=⎰ 此式适用于理想气体单纯pVT 变化的一切过程，或真实气体的恒压变温过程，或纯的液体、固体物质压力变化不大的变温过程。
4.热力学能(又称内能)变 此式适用于理想气体单纯pVT 变化的一切过程。
5. 恒容热和恒压热V Q U =∆ (d 0,'0V W == p Q H =∆ (d 0,'0)p W ==6. 热容的定义式（1）定压热容和定容热容pVU H +=2,m 1d V U nC T ∆=⎰δ/d (/)p p p C Q T H T ==∂∂δ/d (/)V V V C Q T U T ==∂∂（2）摩尔定压热容和摩尔定容热容,m m /(/)p p p C C n H T ==∂∂,m m /(/)V V V C C n U T ==∂∂上式分别适用于无相变变化、无化学变化、非体积功为零的恒压和恒容过程。
（3）质量定压热容（比定压热容）式中m 和M 分别为物质的质量和摩尔质量。
（4） ,m ,m p V C C R -=此式只适用于理想气体。
（5）摩尔定压热容与温度的关系23,m p C a bT cT dT =+++式中a , b , c 及d 对指定气体皆为常数。
（6）平均摩尔定压热容21,m ,m 21d /()Tp p T C T T T C =-⎰7. 摩尔蒸发焓与温度的关系21vap m 2vap m 1vap ,m ()()d T p T H T H T C T ∆=∆+∆⎰ 或 v a p m v a p (/)p p H T C ∂∆∂=∆式中 vap ,m p C ∆ = ,m p C (g) —,m p C (l)，上式适用于恒压蒸发过程。
热力学第一定律对理想气体的应用
热力学第一定律对理想气体的应用
热力学第一定律（也称为能量守恒定律）对理想气体的应用提供了重要的物理洞察和计算方法。
以下是热力学第一定律在理想气体中的一些应用：
1.内能变化计算：热力学第一定律表明，理想气体的内能变化等于吸收的热量减去对外界做的功。
根据该定律，我们可以计算理想气体的内能变化，即ΔU = Q - W，其中ΔU 表示内能变化，Q 表示吸收的热量，W 表示对外界做的功。
2.等容过程计算：等容过程是指理想气体在体积不变的条件下发生的过程。
根据热力学第一定律，对于等容过程，ΔU = Q，即内能变化等于吸收的热量。
这使得我们可以根据所吸收的热量计算内能的变化。
3.等压过程计算：等压过程是指理想气体在恒定压力下发生的过程。
根据热力学第一定律，对于等压过程，Q = ΔU + W，即吸收的热量等于内能变化加上对外界所做的功。
这使得我们可以根据所做的功和内能变化计算吸收的热量。
4.等温过程计算：等温过程是指理想气体在恒定温度下发生的过程。
根据热力学第一定律，对于等温过程，Q = W，即吸收的热量等于对外界所做的功。
这意味着在等温过程中，吸收的热量和所做的功相等。
物理化学-第二章-热力学第一定律及其应用精选全文
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2024/8/13
状态与状态函数
状态函数的特性： 异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。
状态函数的性质：
(1) 状态函数的值取决于状态，状态改变则状态函数必定改 变（但不一定每个状态函数都改变）；任何一个状态函数 改变，系统的状态就会改变。
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即
ΔU=Q+W （封闭系统）
对于无限小过程，则有
dU=δQ+δW （封闭系统）
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2024/8/13
3. 焦耳实验 盖.吕萨克—焦尔实验
实验结果：水温未变 dT=0 dV≠0
表明：Q =0
自由膨胀 W=0
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2024/8/13
dU= Q+ W =0
1. 热(heat)
a) 定义：体系与环境之间因温差而传递的能量称为热，用 符号Q 表示。单位：KJ 或 J。 b) Q的取号：体系吸热，Q>0；体系放热，Q<0 。
c) 性质：热不是状态函数，是一个过程量；热的大小和具 体的途径有关。
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2024/8/13
功和热
不能说在某个状态时系统有多少热量，只能说 在某个具体过程中体系和环境交换的热是多少。
热力学能是状态函数，用符号U表示，单位为J。它 的绝对值无法测定，只能求出它的变化值。
U= U2 –U1
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2024/8/13
热力学能
纯物质单相系统
若n确定
U=U ( n,T,V ) U=U (T,V )
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
第2章 热力学第一定律
U=Q + W=-139.0+420.85= 281.85 kJ
H = Q ? H=U+(pV) =U+pθV=U+pθVg=285.6 kJ
dU CV dT
dH C p dT
U CV dT
T1
T2
H C p dT
T1
T2
理想气体任意过程U与H的计算
U C V T nC V , m T
H C p T nC p , m T
理想气体CV、Cp 不随温度变化
5. 理想气体功的计算
§2.8
热力学第一定律对理想气体的应用
1. Gay-Lussac-Joule 实验
2. 理想气体的 U 和 H
3.理想气体的 C p 与 CV 4 . 理想气体U 和 H 的计算 5. 理想气体功的计算
1、Gay-Lussac-Joule实验
结果：温度不变T = 0，说明Q = 0 因向真空膨胀，W = 0 所以U = 0
1
T K3
p T1 p T2
1 1
1 2
绝热可逆过程的膨胀功
W pdV =
V1
V2
V2
V1
K dV V
(pV K )
K 1
因为 所以
1 1 V V1
V2
K 1 1 = ( 1 1 ) (1 ) V2 V1
H U (nRT)
所以
H p
0 T
H 0 V T
理想气体的焓也仅是温度的函数，与体积 和压力无关 H H (T )
热力学第一定律及其在工程中的应用
热力学第一定律及其在工程中的应用热力学第一定律是热力学中最基本的定律之一，它描述了能量守恒的原理。
在工程领域，热力学第一定律被广泛应用于各种能量转换系统的分析和设计中。
本文将探讨热力学第一定律的基本原理以及其在工程中的应用。
热力学第一定律的基本原理是能量守恒定律，即能量既不能创造也不能消失，只能从一种形式转化为另一种形式。
根据热力学第一定律，能量的总增量等于系统所吸收的热量与对外做功的总和。
这可以用数学公式表示为：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表示系统对外做的功。
根据正负号的不同，ΔU可以是正值、负值或零，分别表示系统内能的增加、减少或保持不变。
在工程中，热力学第一定律的应用非常广泛。
以汽车发动机为例，发动机是将燃料的化学能转化为机械能的设备。
根据热力学第一定律，发动机内能的变化等于燃料燃烧释放的热量减去发动机对外做的功。
通过对发动机内能变化的分析，可以评估发动机的效率和性能，并进行优化设计。
另一个应用热力学第一定律的例子是蒸汽动力发电厂。
在蒸汽动力发电厂中，燃煤锅炉产生高温高压的蒸汽，蒸汽驱动汽轮机旋转，进而带动发电机发电。
在这个过程中，热力学第一定律可以用来分析蒸汽动力发电厂的能量转换效率。
通过优化锅炉和汽轮机的设计，可以提高发电厂的效率，减少能源的消耗。
除了上述例子，热力学第一定律在工程中还有许多其他的应用。
例如，热力学第一定律可以用于分析和设计制冷系统、空调系统、热交换器等。
通过对系统内能变化的分析，可以评估系统的效率和性能，并进行优化设计。
总之，热力学第一定律是能量守恒的基本原理，它在工程中有着广泛的应用。
通过对系统内能变化的分析，可以评估和优化各种能量转换系统的效率和性能。
热力学第一定律的应用不仅有助于节约能源，还可以提高工程设备的性能和可靠性。
因此，热力学第一定律在工程领域中具有重要的意义。
第二章热力学第一定律
m out
u pv c / 2 gz min
in
流动时，总一起存在
焓的引入
定义：焓
h = u + pv
Q dEcv / W net u pv c / 2 gz h
2 2 out
m out
u pv c / 2 gz min h
总结: 开口系能量方程一般表达式:
Q =dEcv + ∑(h+ + gz)out mout ∑(h+ c2/2 + gz)in min + Wnet
2/2 c
以流率表示的开口系能量方程:
Q dEcv / W net u pv c / 2 gz h
2 2 out
1 q h c 2 g z ws 2
稳定流动能量方程
1 2 q h c g z ws 2
适用条件：
任何流动工质
任何稳定流动过程
技术功
Wt
1 2 Q mh mc mg z Ws 2 1 2 q h c g z ws 2 动能 位能 轴功 wt 机械能 工程技术上可以直接利用
间所传递的一种机械功，表现为流动工质进 出系统使所携带和所传递的一种能量
开口系能量方程的推导
uin pvin gzin Wnet mout uout pvout 1 2 cout gzout 2 min 1 2 cin 2
Q
Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv
热力学第一定律应用
3 2 V1(
pa
pc )
450R
300
c
b
循环过程中系统吸热
O
1
2 V（10-3m3）
Q1 Qab Qca 600R ln 2 450R 866R
循环过程中系统放热
此循环效率
Q2 Qbc 750R
1
Q2 Q1
1
750R 866R
13.4 00
29
例 逆向斯特林致冷循环的热力学循环原理如图所示
当高温热源的温度T1一定时，理想气体卡诺循环的致 冷系数只取决于T2 。 T2 越低，则致冷系数越小。
26
三、 卡诺定理
1. 在温度分别为T1 与T2 的两个给定热源之间工作的一切可 逆热机，其效率 相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的
效率，即
1 Q2 1 T2
Q1
T1
2. 在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其
曲线起始于同一点. n可取任意值，不同n对应不同的过程曲线。
16
3种多方过程方程：
理想气体多方过程的定义 ：
pV n C
再根据理想气体的状态方程：
PV RT
以T、V或T、p为独立变量，还可有如下多方过程方程 ：
TV n1 C
p n1 Tn
C
17
二、多方过程摩尔热容
设多方过程的摩尔热容为Cn.m ，则：
dQ Cn,mdT
根据理想气体的热一律，可得：
Cn,m dT CV ,m dT pdV
在两边分别除以 dT
Cn,m
CV ,m
p( dVm dT
)n
CV ,m
p( Vm T
)n
式中的下标n 表示是沿多方指数为n 的路径变化。
物理化学热力学第一定律及其应用
第二章 热力学第一定律及其应用教学目的：使学生初步了解热力学的方法、建立内能和焓是状态函数的概念，并了解状态函数的性质、理解热力学第一定律，掌握理想气体在各种过程中、∆Η、Q 与W 的计算。
U ∆教学要求：1. 掌握热力学的一些基本概念2. 明确热、功与热力学能三者的区别与联系3. 明确准静态过程与可逆过程的意义4. 充分理解状态函数的意义及其数学性质5. 明确焓的定义，它和热力学能一样都是状态函数6. 熟练掌握气体在等温、等容、等压与绝热过程中△Ｕ、△Ｈ、Ｑ与Ｗ 的计算7. 掌握计算热效应的方法，熟悉掌握盖斯定律和基尔戈夫定律教学重点和难点: 热力学的一些基本概念，各种过程△Ｕ、△Ｈ、Ｑ与Ｗ 的计算，绝热过程、可逆过程与最大功是本章的重点和难点。
§2.1 热力学概论一、 热力学的研究对象1. 热力学：热力学是研究能量相互转换过程中所应遵循的规律的科学。
研究在一定条件下变化的方向和限度。
主要内容是热力学第一定律和第二定律。
这两个定律都是上一世纪建立起来的，是人类经验的总结，有着牢固的实验基础。
本世纪初又建立了热力学第三定律。
2. 化学热力学：用热力学原理来研究化学过程及与化学有关的物理过程就形成了化学热力学。
化学热力学的主要内容：（1）热力学第一定律-----解决化学变化的热效应问题。
（2）热力学第二定律----解决化学及物理变化的方向和限度问题。
^_^---（3）热力学第三定律-----利用热力学的数据解决有关化学平衡的计算问题。
二、热力学的方法及局限性1. 特点（1） 适用于大量质点构成的宏观体系，不适用于分子的个别行为。
（2）不考虑物质的微观结构和反应机理，只知道始终态即可。
2. 局限性：(1)只考虑平衡问题，只计算变化前后总账，无需知道物质微观结构的知识。
即只能对现象之间联系作宏观了解，不能作微观说明。
结果导致知其然而不知其所以然。
(2)只能告诉我们在某种条件下，变化能否发生，进行的程度如何，而不能说明所需的时间、经过的历程、变化发生的根本原因。
02章_热力学第一定律及其应用
强度性质（intensive properties） 它的数值取决于体系自身的特点，与体系的
数量无关，不具有加和性，如温度、压力等。它 在数学上是零次齐函数。指定了物质的量的容量 性质即成为强度性质，如摩尔热容。
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2）
Z x
y
x y
Z
y Z
x
1
△V表示
3） Z 1
x y x Z y
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2022/8/17
6.状态方程
体系状态函数之间的定量关系式称为状态方 程（state equation ）。
对于一定量的单组分均匀体系，状态函数 T,p,V 之间有一定量的联系。经验证明，只有两个 是独立的，它们的函数关系可表示为：
1.体系与环境
体系（System） 在科学研究时必须先确定
研究对象，把一部分物质与其 余分开，这种分离可以是实际 的，也可以是想象的。这种被 划定的研究对象称为体系，亦 称为物系或系统。 环境（surroundings）
与体系密切相关、有相互 作用或影响所能及的部分称为 环境。
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物理化学电子教案—第二章
U Q W
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2022/8/17
了解热力学的一些基本的概念，如系统、环境、工、热、状态函数和过程途径等
明确热力学第一定律和热力学能的概念。明确热和功只在系统与环境有能量交换时 才有意义。熟知热和功正负号的取号惯例及各种过程中功与热的计算。
明确准静态过程与可逆过程的意义。
力学平衡（mechanical equilibrium） 体系各部的压力都相等，边界不再移动。
02章-热力学第一定律(4).
致冷机
3. 致冷机(冰机)
如果把卡诺可逆热机倒开，就成了致冷机。
按A→D→C→B→A循环，此时环境向体系做功，从低温热源吸 收热Q1’ ，再放热给高温热源。则致冷机的效率，又叫致冷系数
知识链接:火力发电厂的能量利用
锅炉
汽轮机
发电机
冷却塔
200℃
R
Th TC Th
(473 300)K 36% 473 K
I < 20%
1度电/1000g 煤
高煤耗、高污染（S、N氧化物、粉尘和热污染）
火力发电厂的能量利用
400℃ 550℃
Th TC 673 300 55%
Th
673
I < 40% 1度电 / 500 g 煤
Th TC 823 300 63%
Th
823
Tc 647 K pc 218105 Pa
水的相图
p / Pa
pc
610.62
C
水
f
冰
P
O D
A
超 临 界 流 体
q
B
水蒸气
273.16
TC T / K
普通加压蒸汽的作功能力很差 要用亚临界、超临界甚至超超临界的蒸汽 改进锅炉性能，增加脱硫、脱氮和除尘的设备
绝热过程功的计算
理想气体绝热可逆过程方程式：
对于理想气体，无体积功的绝热可逆过程：
∵ Q dU W dU pdV
Q 0
dU pdV ∴
C p / CV
又因理想气体：
dU
C C p / CV V
dT
所以： CV dT pdV
CV dT
pdV
nRT
dV V
(1)
5版物理化学02章-热力学第一定律课件(3)
§2.3 热力学的一些基本概念
系统与环境
系统（system）
在科学研究时必须先确定
研究对象，把一部分物质与其
环境
余分开，这种分离可以是实际 系统
的，也可以是想象的。
这种被划定的研究对象称 为系统，亦称为体系或物系。
环境（surroundings）
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。
m
V
Um
U n
Vm
V n
Sm
S n
热力学平衡态 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
力学平衡（mechanical equilibrium） 系统各部的压力都相等，边界不再移动。如 有刚壁存在，虽双方压力不等，但也能保持力学 平衡
现在，国际单位制中已不
用cal，热功当量这个词将逐
渐被废除。
§2.4 热力学第一定律
能量守恒定律
到1850年，科学界公认能量守恒定律是自 然界的普遍规律之一。能量守恒与转化定律可 表述为：
自然界的一切物质都具有能量，能量有各 种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形 式，但在转化过程中，能量的总值不变。
环境
无物质交换 封闭系统
有能量交换
经典热力学主要研究封闭系统
系统的分类 根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类： （3）隔离系统（isolated system） 系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换， 故又称为孤立系统。
环境 无物质交换
隔离系统(1)
无能量交换
系统的分类
根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类：
热力学第一定律的含义与应用
热力学第一定律的含义与应用热力学是研究热与能之间的转化以及宏观物质的性质和变化规律的科学。
热力学第一定律是热力学的基础之一，它揭示了能量守恒的原理，并与各个领域的实际问题紧密相关。
本文将探讨热力学第一定律的含义以及其在不同领域的应用。
1. 热力学第一定律的含义热力学第一定律，也称为能量守恒定律，是指能量在系统和周围环境之间的转化过程中，总能量守恒，能量既不会凭空消失也不会凭空产生。
根据能量守恒定律，能量可以以不同形式进行转化，如热能、机械能、电能等，但总能量的大小在一个封闭系统中保持不变。
2. 热力学第一定律的应用2.1. 热力学循环分析中的应用热力学循环是指热力学过程的一个周期性变化，热力学第一定律应用于热力学循环分析中，可以帮助我们了解能量在循环过程中的变化情况。
例如，发电厂中的热力机械循环使用燃料转换成热能，并进一步转化为机械能，最终转化为电能。
热力学第一定律可以帮助我们计算循环过程中的能量转化效率，从而优化能源利用。
2.2. 热平衡系统的分析在热力学中，热平衡系统是指系统与周围环境之间不存在热能传递的状态。
根据热力学第一定律，热平衡状态下系统的内能改变为零，即系统内部的能量不会改变。
这一原理在化学反应动力学、热能传导等领域的分析中经常应用。
通过分析热平衡系统，我们可以推断出系统的稳定性以及能量的分布和传递方式。
2.3. 热力学第一定律在工程领域的应用热力学第一定律广泛应用于能源工程、热能利用等领域。
能源工程中的热力学分析通常用于评估能源转换的效率，并优化能源的利用方式。
例如，在汽车工程中，热力学第一定律可用于计算车辆的燃油效率，评估内燃机的性能等。
这些分析有助于提高能源利用效率，减少能源的浪费。
2.4. 生态系统中的热力学第一定律应用热力学第一定律在生态学中也有重要的应用。
生态系统的能量流动和物质循环是生态系统运行的基础。
热力学第一定律揭示了能量在生态系统中的守恒性，帮助我们理解能量的流动路径以及能量在不同生物组织之间的转化。
物理化学第二章 热力学第一定律及其应用
热平衡系统中各个部分的温度相等。
T1T2T3.. .T
单一温度
力平衡系统中各个部分的压力相等。
p1p2p3.. .p
单一压力
相平衡当系统为多相时(如水+苯系统)，物质在各相 之当间达的到分 相布平达衡到时平，衡有，：如：I2在CCl4+水中的分配，
KcαI2
cβ I2
化学平衡系统的组成不随时间而变化。
热力学第一定律 ———计算变化中的热效应
热力学第二定律
——— 解决变化的方向和限 度问题，以及相平衡
和化学平衡。
热力学第三定律 ——— 解决规定熵函数的数值计算。
热力学第零定律 ——— 热平衡，定义温度。
5
4. 热力学系统（System) 和环境 定义：将所关注的一部分物质或空间与其余的物质
或空间分开，称这种被划定的研究对象为热力 学系统，简称系统或体系。 其余的物质或空间称为环境(Surroundings)
1．恒容热QV 无限小变化时，热力学第一定律为：
d d dU
Q＋WdW'0dQpedV
dV 0
dQV
式中dW‘为非体积功，dV=0为恒容过程。
有限量的变化：
U QV
33
U QV
➢物理意义: 在非体积功为零的条件下，恒容过程中系统
所吸收的热量全部用以增加系统的热力学能。 ➢适用条件：封闭系统，恒容过程和 W ’=0。
如水的体积 V=f（T，p），温度、压力发生微小变化， 引起水的体积变化可以表示为：
dVV TpdTV pTdp
（3）系统经过一个循环过程，状态函数的变化值为 零。
dF 0
状态函数的性质可以用十六字描述: 异途同归，值变相同，周而复始，数值还原
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第二章热力学第一定律及其应用
1. 如果一个体重为70kg的人能将40g巧克力的燃烧热(628 kJ) 完全转变为垂直位移所要作的功 ,那么这点热量可支持他爬多少高度?
2. 在291K和下,1 mol Zn(s)溶于足量稀盐酸中,置换出1 mol H2并放热152 kJ。
若以Zn和盐酸为体系，求该反应所作的功及体系内能的变化。
3．理想气体等温可逆膨胀，体积从V1胀大到10V1，对外作了41.85 kJ的功，体系的起始压力为202.65 kPa。
(1)求V1。
(2)若气体的量为2 mol ,试求体系的温度。
4．在101.325 kPa及423K时，将1 mol NH3等温压缩到体积等于10 dm3, 求最少需作多少功？
（1）假定是理想气体。
（2）假定服从于范德华方程式。
已知范氏常数a=0.417 Pa·m6·mol-2, b=3.71× m3/mol.
5．已知在373K和101.325 kPa时，1 kg H2O（l）的体积为1.043 dm3,1 kg水气的体积为1677 dm3,水的 =40.63 kJ/mol 。
当1 mol H2O(l),在373 K 和外压为时完全蒸发成水蒸气时，求
（1）蒸发过程中体系对环境所作的功。
（2）假定液态水的体积忽略而不计，试求蒸发过程中的功，并计算所得结果的百分误差。
（3）假定把蒸汽看作理想气体，且略去液态水的体积，求体系所作的功。
（4）求（1）中变化的和。
（5）解释何故蒸发热大于体系所作的功？
6．在273.16K 和101.325 kPa时,1 mol的冰熔化为水，计算过程中的功。
已知在该情况下冰和水的密度分别为917 kg·m-3和1000 kg·m-3。
7．10mol的气体（设为理想气体），压力为1013.25 kPa,温度为300 K，分别求出等温时下列过程的功：
（1）在空气中（压力为101.325 kPa）体积胀大1 dm3。
（2）在空气中膨胀到气体压力也是101.325 kPa。
（3）等温可逆膨胀至气体的压力为101.325 kPa。
8．273.2K，压力为5×101.325 kPa的N2气2 dm3,在外压为101.325 kPa下等温膨胀，直到N2气的压力也等于101.325 kPa为止。
求过程中的W,ΔU ，ΔH 和Q。
假定气体是理想气体。
9．0.02kg乙醇在其沸点时蒸发为气体。
已知蒸发热为858kJ/kg.蒸汽的比容为0.607 m3/kg。
试求过程的ΔU ，ΔH，Q，W（计算时略去液体的体积）。
10. 1× kg水在373K，101.325 kPa压力时，经下列不同的过程变为373 K，
压力的汽，请分别求出各个过程的W，ΔU ，ΔH 和Q 值。
（1）在373K，101.325 kPa压力下变成同温，同压的汽。
（2）先在373K，外压为0.5×101.325 kPa下变为汽，然后加压成373K，101.325 kPa压力的汽。
（3）把这个水突然放进恒温373K的真空箱中，控制容积使终态为101.325 kPa 压力的汽。
已知水的汽化热为2259 kJ/kg。
11. 一摩尔单原子理想气体，始态为2×101.325 kPa,11.2 dm3,经pT=常数的可逆过程压缩到终态为4×101.325 kPa，已知C(V,m)=3/2 R。
求：
（1）终态的体积和温度。
（2）ΔU 和ΔH 。
（3）所作的功。
12．设有压力为101.325 kPa，温度为293K的理想气体3 dm3,在等压下加热，直到最后的温度为353K为止。
计算过程中W，ΔU ，ΔH 和Q。
已知该气体的等压热容为C(p,m)=(27.28+3.26·
T) J/(K·mol)。
13. 在标准压力下，把一个极小的冰块投入0.1 kg,268 K(即-5 ℃)的水中，结果使体系的温度变为273 K，并有一定数量的水凝结成冰。
由于过程进行的很快，可以看作是绝热的。
已知冰的溶解热为333.5 kJ/kg,在268-273K之间水的比热为4.21 kJ/(K·kg)。
（1）写出体系物态的变化,并求出ΔH.
（2）求析出冰若干克。
14．一摩尔氢在298.2 K和压力101.325 kPa下经可逆绝热过程压缩到5 dm3,计算：
（1）氢气的最后温度。
（2）氢气的最后压力。
（3）需做多少功。
15．某一热机的低温热源为313 K，若高温热源分别为
（1） 373K，（在101.325 kPa下水的沸点）
（2） 538K，（是压力为50×101.325 kPa下水的沸点）。
试分别计算热机的理论换算系数。
16. 某电冰箱内的温度为273 K，室温为298K，今欲使1 kg 273 K的水变成冰，问最少需做多少功？已知273 K时冰的融化热为335kJ/kg 。
17. 0.500 g正庚烷放在弹形量热计中，燃烧后温度升高2.94 K。
若量热计本身及其附件的热容量为8.177kJ/K, 计算298K时正庚烷的燃烧热（量热计的平均温度为298 K）。
18. 在298.15K及101.325 kPa压力时设环丙烷，石墨及氢气的燃烧热（）
分别为-2029，-393.8及-285.84 kJ/mol。
若已知丙烯（气）的=20.5 kJ/mol，试求：
（1）环丙烷的。
（2）环丙烷异构化变为丙烯的。
19. 某高压容器中含有未知气体，可能是氮或氩气。
今在298 K时，取出一些样品，从5 dm3绝热可逆膨胀到6 dm3,温度降低了21 K，试问能否判断出容器中是何种气体？
设振动的贡献可忽略不计。
20. 将H2O看作刚体非线性分子，用经典理论来估计其气体的C(p,m)值是多少？
如果升高温度，将所有振动项的贡献都考虑进去，这时C(p,m)值又是多少？。