3热力学第一定律
热力学第一定律3
pi dV
V1
V2
V2
V1
V1 nRT dV nRT ln V2 V
这种过程近似地可看作可逆过程，所作的功最大。
压缩过程
将体积从 V2 压缩到 V1 ，有如下三种途径： 1.一次等外压压缩 在外压为 p1下，一次从 V2 压 缩到 V1 ，环境对体系所作的功 （即体系得到的功）为：
为什么要定义பைடு நூலகம்？
dU Q W Q pdV Wf
(dV 0, Wf =0) 不作非膨胀功的等容过程， U Q V
等容热不易测定，如果是不作非膨胀功的等压过程，
QV
Wf 0
U Q We
p1 p2
p
U2 U1 Qp p(V2 V1)
We,2 pe (V2 V1 )
体系所作的功如阴影面积所示。
3.多次等外压膨胀
(1)克服外压为 p ' ，体积从 V1 膨胀到 V ' ；
(2)克服外压为 p "，体积从V ' 膨胀到 V " ；
(3)克服外压为 p2 ，体积从V "膨胀到 V2 。
We,3 p '(V 'V1 )
U = Q + W
对微小变化： dU =Q +W 因为热力学能是状态函数，数学上具有全微 分性质，微小变化可用dU表示；Q和W不是状态 函数，微小变化用表示，以示区别。 也可用U = Q - W表示，两种表达式完全等 效，只是W的取号不同。用该式表示的W的取号 为：环境对体系作功， W<0 ；体系对环境作功， W>0 。
第一类永动机（first kind of perpetual motion mechine) 一种既不靠外界提供能量，本身也不减少能 量，却可以不断对外作功的机器称为第一类永动机， 它显然与能量守恒定律矛盾。
3热力学第一定律
§3.热力学第一定律 / 一、内能增量、功、热量正负规定
或外界对系统作功。 3.热量 系统吸热 系统放热
m Q Cm(T2 T1 ) M
Q吸 0
Q放 0
二、热力学第一定律
设一热力学系统，初始时内能为E1， 如果系统吸热，使系统内能增加到E2，系 统对外作功W。
§3.热力学第一定律 / 二、热力学第一定律
2 1
3.明确几点
①.注意内能增量、功、热量的正负规定。
第一定律的符号规定
Q
E2 E1
内能增加
W
系统对外界做功
+
系统吸热
系统放热
内能减少
外界对系统做功
§3.热力学第一定律 / 二、热力学第一定律
设计制作
干耀国
山东科技大学济南校区
§3.热力学第一定律
由能量守恒与转换定律
Q ( E2 E1 ) W Q E W
W
1.热力学第一定律 系统吸收的热量， 转变成系统的内能和 系统对外做的功。
系 E 统
Q吸
2.热力学第一定律对微小过程的应用
dQ dE dW
§3.热力学第一定律 / 二、热力学第一定律
符号 d 表示“元”，因为Q、W不是状 态 函数，不能写成微分。 V 由 W V PdV ， dQ dE PdV
第三节 热力学第一 定律
热力学第一定律实际上是包括热现象 在内的能量守恒与转换定律。 一、规定内能增量、功、热量的正负 1.内能增量
m i E RT M2
E 0 系统温度升高 T 0, E 0 系统温度降低 T 0, V W V PdV 2.功 体积膨胀V 0, W 0 系统对外界做正功。 体积收缩V 0, W 0 系统对外界做负功，
热力学第一定律
热力学第一定律功：δW ＝δW e ＋δW f（1）膨胀功 δW e ＝p 外dV 膨胀功为正，压缩功为负。
（2）非膨胀功δW f ＝xdy非膨胀功为广义力乘以广义位移。
如δW （机械功）＝fdL ，δW （电功）＝EdQ ，δW （表面功）＝rdA 。
热 Q ：体系吸热为正，放热为负。
热力学第一定律： △U ＝Q —W 焓 H ＝U ＋pV 理想气体的内能和焓只是温度的单值函数。
热容 C ＝δQ/dT（1）等压热容：C p ＝δQ p /dT ＝ （∂H/∂T ）p （2）等容热容：C v ＝δQ v /dT ＝ （∂U/∂T ）v 常温下单原子分子：C v ，m ＝C v ，m t ＝3R/2常温下双原子分子：C v ，m ＝C v ，m t ＋C v ，m r ＝5R/2 等压热容与等容热容之差：（1）任意体系 C p —C v ＝[p ＋（∂U/∂V ）T ]（∂V/∂T ）p （2）理想气体 C p —C v ＝nR 理想气体绝热可逆过程方程：pV γ＝常数 TV γ-1＝常数 p 1-γT γ＝常数 γ＝C p / C v 理想气体绝热功：W ＝C v （T 1—T 2）＝11－γ（p 1V 1—p 2V 2） 理想气体多方可逆过程：W ＝1nR－δ（T 1—T 2） 热机效率：η＝212T T T － 冷冻系数：β＝－Q 1/W 可逆制冷机冷冻系数：β＝121T T T －焦汤系数： μJ －T ＝H p T ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂＝－()pT C p H ∂∂ 实际气体的ΔH 和ΔU ：ΔU ＝dT T U V ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂＋dV V U T ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ ΔH ＝dT T H P ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂＋dp p H T⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ 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＝1mol 时， Δr H m ＝Δr U m ＋∑BB γRT化学反应热效应与温度的关系：()()()dT B C T H T H 21T T m p B1m r 2m r ⎰∑∆∆，＋＝γ热力学第二定律Clausius 不等式：0TQS BAB A ≥∆∑→δ—熵函数的定义：dS ＝δQ R /T Boltzman 熵定理：S ＝kln Ω Helmbolz 自由能定义：F ＝U —TS Gibbs 自由能定义：G ＝H －TS 热力学基本公式：（1）组成恒定、不作非膨胀功的封闭体系的热力学基本方程：dU ＝TdS －pdV dH ＝TdS ＋Vdp dF ＝－SdT －pdV dG ＝－SdT ＋Vdp （2）Maxwell 关系：T V S ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂＝V T p ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂Tp S ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂＝－p T V ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ （3）热容与T 、S 、p 、V 的关系：C V ＝T VT S ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂ C p ＝T p T S ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂Gibbs 自由能与温度的关系：Gibbs －Helmholtz 公式 ()pT /G ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∆∂T ＝－2T H ∆ 单组分体系的两相平衡： （1）Clapeyron 方程式：dT dp＝mX m X V T H ∆∆ 式中x 代表vap ，fus ，sub 。
人教版高中物理选修三3.2热力学第一定律 课件
少？水的比热容c为4.2 × 103J/（ · ℃）。
0.14
℃
课堂练习
4．奶牛的心脏停止跳动后，大约在1h内体温由37.0℃降低到
33.5℃。请你由此估算，在这种环境下饲养奶牛，要维持一
个体重400kg奶牛的内能不变，每天喂养奶牛的食物至少要能
）
A．减小20J
B．增大20J
C．减小220J
D．增大220J
课堂练习
1．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了900J的功，同时汽
缸向外散热210J，汽缸里空气的内能改变了多少？
1110
J
课堂练习
2．如图，在汽缸内活塞左边封闭着一定量的空气，压强与大
气压相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温
即外界对气体做功
新知讲解
二、热力学第一定律的应用
运用热力学第一定律解决问题
1.根据符号法则写出各已知量
（、、Δ）的正、负。
2.根据方程Δ＝＋求出未知量。
3.再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况
或做功情况。
典例探究
例题2：一定量的气体膨胀对外做功100J，同时从外界吸收了
B
120J的热量，它的内能的变化可能（
热力学第一定
律
温故知新
改变内能的两种方式
做功
热传递
对内
对外
吸热
放热
（外界对物体
做功）
（物体对外界
做功）
（物体从外界
吸热）
（物体对外界
放热）
内能增加
内能减少
内能增加
内能减少
∆ =
∆ =
温故知新
3第二章热力学第一定律
●闭口热力系统总储存能的变化： △E=△U=U2-U1 闭口热力系统总储存能的变化：
热力学第一定律： 热力学第一定律： Q －W=△E=△U 或 Q =△U+ W
Q
W
一、闭口系统能量方程式
Q = U + W 一 δQ = dU + δW
般 式 q = u + w
Q
W
δq = du + δw δq = du + pdv
2
单位工质
适用条件： ） 适用条件：1）任何工质 2) 任何过程
●过程量
符号w ●符号
轴功
●定义 ●符号 ●实例
系统通过机械轴与外界传递的机械功 ws 规定系统输出轴功为正，输入为负 规定系统输出轴功为正， ws
…………… …………… …………… …………… ……………
ws
闭口系统
开口系统
2-4 焓enthalpy
流动工质传递的总能量 pV + U + 0.5mc2 + mgz h= u + pv 定义焓： 定义焓：H=U+ pV 单位： 单位： J（kJ） kJ） J/kg（kJ/kg） J/kg（kJ/kg） 对理想气体：h=u+pv=u+RT=f( ●H是状态参数 ，对理想气体：h=u+pv=u+RT=f(T) 是 H为广延参数 h为比参数 ● H为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh， h为比参数 物理意义： ●物理意义：
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
热力学第三章 热一律
out m out
h c / 2 gz
2
in min Wnet
一、稳定流动条件
1、 m out m in m
2、 Q Const , W net Const Ws
Ws为轴功 Shaft work
3、 CV内总能不随时间变化： dEcv/=0
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
二、开口系能量方程的推导
Wf= moutpoutvout- minpinvin e=u+c2/2+gz
带入的能量
ein+ minpinvin CV
= u+c2/2+gz+ minpinvi
h=u+pv
二、开口系能量方程的推导 定义 h=u+pv为 比焓，将推导结 果进行整理得开 口系能量方程的 一般形式：
二、稳定流动方程
Q m h c / 2 gz out h c / 2 gz in Ws
2
2
Q mq
2
Ws m ws
2
q ( h c / 2 gz ) out ( h c / 2 gz ) in ws
q h c / 2 g z ws
dU 代表某微元过程中系统通过边界 交换的微热量与微功量两者之差值，即 系统内部能量的变化。 U 代表储存于系统内部的能量
内部储存能（内能）
内能
分子动能（移动、转动、振动） 分子位能（相互作用） 核能 化学能
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
高中物理人教版选修三热力学第一定律能量守恒定律
点评：搞清能量转化的物理情景及转化过程中的数量关 系，由能量守恒定律来列方程求解。
(2012·潍坊市高二联考)如图所示，密闭绝热容器内有一 绝热的具有一定质量活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为 真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧 一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩 后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时 的弹性势能为零)。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动， 经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此 过程( )
题型3 综合应用
(2012·青州模拟)(1)如下图所示，一演示用的“永 动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状 记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸 展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅 速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是 ()
A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
(2)如图2所示，内壁光滑的气缸水平放置，一定质量的 理想气体被活塞密封在气缸内，外界大气压强为P0，现对气 缸缓慢加热，气体吸收热量Q后，体积由V1增大为V2，则在 此过程中，气体分子平均动能________(选填“增大”、“不 变”、或“减小”)，气体内能变化了______。
解析：(1)形状记忆合金进入水后受热形状发生改变而搅 动热水，由能量守恒知能量来源于热水，故A、B、C错；由 能量守恒知，叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能，一 部分释放于空气中，故D对。
(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的 距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了。
物理化学 02章_热力学第一定律(三)
因为 所以
p1V1 p2V2 K
p2V2 p1V1 nR(T2 T1) W= 1 1
绝热功的求算 （2）绝热状态变化过程的功
W U CV dT
T1
T2
= CV (T2 T1)
(设CV 与T 无关）
因为计算过程中未引入其它限制条件，所以
该公式适用于定组成封闭系统的一般绝热过程， 不一定是可逆过程。
Th
D(p4 ,V4 , TC )
C (p3 ,V3 , TC )
环境对系统所作的功如
O
Tc
DA曲线下的面积所示。
a
d
b
c
V
Carnot 循环
过程4：绝热可逆压缩
p
A(p1 ,V1 , Th ) B(p2 ,V2 , Th )
D( p4 ,V4 , TC ) A( p1,V1, Th )
Th
D(p4 ,V4 , TC )
表示经节流过程后，气体温度随压 力的变化率。
J-T是系统的强度性质。因为节流过程的 dp 0 ,
所以当：
J-T >0 J-T <0 J-T =0
经节流膨胀后，气体温度降低。 经节流膨胀后，气体温度升高。 经节流膨胀后，气体温度不变。
转化温度（inversion temperature)
Qc ' Tc W Th Tc
式中W表示环境对系统所作的功。
热泵
热泵的工作原理与致冷机相仿。
把热量从低温物体传到高温物体，使高温物体
温度更高。
热泵的工作效率等于：向高温物体输送的热与
电动机所做的功的比值。
热泵与致冷机的工作物质是氨、溴化锂（氟
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。
热力学第一定律的表达式
热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式：ΔE=W+Q。
在热力学中，热力学第一定律通常表述为：热能和机械能在转化时，总能量保持不变。
其数学表达式为ΔE=W+Q，其中ΔE表示系统内能的改变，W表示系统对外所做的功，Q表示系统从外界吸收的热量。
这个定律表明，能量的转化和守恒定律是自然界的基本定律之一，它适用于任何与外界没有能量交换的孤立系统。
换句话说，在一个封闭系统中，能量的总量是恒定的，改变的只是能量的形式。
因此，热力学第一定律是能量守恒定律在热现象领域中的应用。
另外，对于一个封闭系统，如果系统内部没有发生化学反应或相变等过程，那么系统对外做的功等于系统从外界吸收的热量。
这是因为系统内能的改变量等于系统对外做的功和系统从外界吸收的热量之和。
值得注意的是，热力学第一定律也适用于非平衡态系统。
即使系统处于非平衡态，热力学第一定律仍然适用。
因此，它不仅是热力学的基石之一，也是整个物理学的基石之一。
为了更好地理解热力学第一定律，我们可以考虑一些具体的应用场景。
例如，在汽车发动机中，汽油燃烧产生的热能转化为汽车的动能和废气中的内能。
在这个过程中，系统内能的改变量等于系统对外做的功和系统从外界吸收的热量之和。
因此，根据热力学第一定律，我们可以计算出汽车发动机的效率，从而评估其能源利用效果。
此外，热力学第一定律还可以应用于电学、化学等领域。
例如，在电学中，当电流通过电阻时会产生热量，根据热力学第一定律可以计算出电阻产生的热量。
在化学中，反应热的计算也可以根据热力学第一定律来进行。
以下是一些具体例子，说明热力学第一定律的应用：1. 热电站：在热电站中，燃料燃烧产生的热能转化为蒸汽的机械能，再转化为电能。
根据热力学第一定律，热能被转化为机械能和电能，而总能量保持不变。
通过计算输入和输出的能量，我们可以评估热电站的效率。
2. 制冷机：制冷机是一种将热量从低温处转移到高温处的设备。
在制冷过程中，制冷剂在蒸发器中吸收热量并转化为气态，然后通过压缩机和冷凝器将热量释放到高温处。
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
第三章 热力学第一定律
c1, u1 p1v1 z1
微元热力 过程
m1
1
开口系统
控制体 τ到(τ+dτ) 时间
1 2
Ws m2 c2 ,u2 p2v2
Q
基准面
2
z2
开口系能量方程普遍式
进入控制体的能量
=Q + m1(h1+c12/2 + gz1)
离开控制体的能量
= Ws + m2(h2 +c22/2 + gz2)
q u pdv
1
闭口系能量方程 一般式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w Q W
单位工质
闭口系能量方程中的功 功 （ w） 是广义功 闭口系与外界交换的功量 q = du + w 可逆容积变化功 拉伸功 表面张力功 pdv w拉伸= - dl w表面张力= - dA
适用条件：不稳定流动和稳态稳流、可逆与不 可逆、开口与闭口系统
【例题3-3 】 储气罐原为真空 输气总管状态不变，p1，T1 经时间充气，关阀门 储气罐中气体p’=p1 储气罐、阀门均绝热 理想气体，充气时罐内气体状态均匀变化 求：充气后储气罐内压缩空气的温度 p1，T1
两种可取系统
1）取储气罐为系统 p1，T1 开口系 2）取最终罐中气体为系统 闭口系
w = pdv - dl - dA +…...
二.闭口系循环的热一律表达式
Q W
p
1 a
b 2
V
要想得到功，必须花费热能或其它能量 热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”
三.理想气体 u的计算
新人教版高中物理选修3-3课件 热力学第一定律 能量守恒定律
5．一定质量的气体从外界吸收了 4.2×105 J 的热量， 同时气体对外做了 6×105 J 的功，问：
(1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？ (2)分子势能是增加还是减少？ (3)分子的平均动能是增加还是减少？
解析：(1)气体从外界吸热为 Q＝4.2×105 J，气体对外做 W＝ －6×105 J，
2．公式 ΔU＝Q＋W Байду номын сангаас符号的规定
符号
W
Q
ΔU
＋ 外界对系统做功 系统吸收热量 内能增加
－ 系统对外界做功 系统放出热量 内能减少
3.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则 Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等
于物体内能的增加。
(2)若过程中不做功，即 W＝0，则 Q＝ΔU，物体吸收的热量等
于物体内能的增加。
[解析] 由热力学第一定律可得 ΔU＝W＋Q＝ 500 J＋(－100 J)＝400 J，即缸内气体内能增加 400 J，气体温度升高，故选项 A 正确，B、C、D 错 误。
[答案] A
[点评] 应用热力学第一定律解题的方法 1．明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。 2．分别找出题目中研究对象吸收或放出的热量；外界对研 究对象所做的功或研究对象对外界所做的功；研究对象内能的 变化量。 3．根据热力学第一定律 ΔU＝Q＋W 列出方程进行求解。 4．特别注意物理量的正负号及其意义。
解析：自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明 机械能在减少，A、C 错误；减少的机械能通过摩擦 转化成了内能，B 错误，D 正确。
答案：D
[知识预览] 1．热力学第一定律的理解和应用 2．能量守恒定律的理解和应用
1.对热力学第一定律的理解 (1)热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能 的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的 定量关系。 (2)定律的表达式 ΔU＝Q＋W 是标量式。 (3)应用时各量的单位应统一为国际单位焦耳。
第3 章 热力学第一定律
§ 4 热力学第一定律 一、热力学第一定律 二、理想气体的摩尔热容 三、经典热容理论的局限性
热力学第一定律：关于系统在状态变化中能量 遵循的规律 。
一、热力学第一定律 1. 内容（107） 公式 成立条件
Q E2 E1 A 初末态是平衡态
dQ dE dA 适用一切过程 一切系统
2.若加一些条件 若为准静态 若为理想气体 若理气准静态
第 3 章 热力学第一定律 §1 热力学过程分类 §2 功 准静态过程中体积功的计算 §3 热 热量的计算 §4 热力学第一定律 §5 绝热过程 §6 循环过程和热机
§1 热力学过程的分类 一、 分类 二、改变热力学状态的两种能量交换形式
一、热力学过程 1.定义：系统状态发生变化的过程 2.分类：准静态过程与非静态过程
计算系统对外作的功
p
S
dl
设活塞面积为 S，在某一 时刻，压强为 ，p 气体 推动活塞移动 dl
气体对外作功为：
dA pSdl pdV
2）公式1 ： 微小过程 dA P dV
公式2：有限过程 注意：准静态过程 2.体积功的图示：
V2
A PdV
V1
P
1）P~V图曲线下的面积。
V
2）关于功---过程量的图示。 示功图
②结论：“无限缓慢”的过程是准静态过程。 二. 改变系统热力学状态的两种方式
1.方式 有两种
作功:外界 系统 传热:外界 系统
2.举例： 1） 从外界传热 2） 利用外界作功
T1 T2
§2 内能 功
一、系统的内能 1.内能的微观构成：
分子热运动的动能，分子间的相互作用能， 分子、原子内的能量，原子核内的能量， 等等。 通常，经过一个热力学过程，发生变化的只 是和热运动相关的那部分能量。
第三章 热力学第一定律
1 2 e = u + ek + e p = u + c + gz 2
系统储存能的增量为： 系统储存能的增量为：
1 2 △E = △u + m(c2 − c12 ) + mg ( z2 − z1 ) 2
第二节 系统与外界传递的能量
系统与外界传递的能量随所选系统的形式不同而异， 系统与外界传递的能量随所选系统的形式不同而异，应分别处理 一、闭口系统能量传递的形式：只有热量与功量 闭口系统能量传递的形式： 热量和功量正负的规定： 热量和功量正负的规定： 系统吸热为正； 系统吸热为正；放热为负 系统对外做功为正；系统得功为负 系统对外做功为正； 膨胀功---是热力学中最重要的概念之一， 膨胀功 是热力学中最重要的概念之一，它是热能与机械能相 是热力学中最重要的概念之一 互转换的必要途径。 互转换的必要途径。没有气体的膨胀就不能实现热能与机械能 的转化。 的转化。 在闭口系统中，膨胀功是通过系统的边界传递的， 在闭口系统中，膨胀功是通过系统的边界传递的，如活 塞连杆机构
也就是
∫ δq = ∫ δw
证明过程也进一步说明： 是状态参数 是状态参数， 证明过程也进一步说明：u是状态参数，因为循环一周 回到初态后 △u=0
证明理想气体内能变化计算式为： 例2 证明理想气体内能变化计算式为： du = cV dT 证明：设有刚性容器盛有 理想气体， 证明：设有刚性容器盛有1kg理想气体，对其加热，使其温 理想气体 对其加热， 度由T变为 度由 变为 T+dT 由定容比热定义知，气体吸收的热量为： 由定容比热定义知，气体吸收的热量为：
1 2 H + mc + mgz 2
重点
①理解熟记储存能的组成 ②开口系统随物质传递的能量的形式 ③深刻理解内能与焓的定义及状态参数 的特点（与路径无关） 的特点（与路径无关）
高二物理选修3-3 热力学第一定律
高二物理选修3-3 热力学第一定律【知识要点】1.热力学第一定律（1）.一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
这个关系叫做热力学第一定律。
其数学表达式为：ΔU=W+Q（2）.与热力学第一定律相匹配的符号法则（3）热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移，同时也进一步揭示了能量守恒定律。
（4）应用热力学第一定律解题的一般步骤：①根据符号法则写出各已知量（W、Q、ΔU）的正、负；②根据方程ΔU=W+Q求出未知量；③再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。
2.能量守恒定律⑴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另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。
这就是能量守恒定律。
⑵热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。
⑶能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。
3.第一类永动机不可能制成任何机器运动时只能将能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地创造能量，即第一类永动机是不可能制造出来的。
【典型例题】例1．一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是（）A.W=8×104J，ΔU =1.2×105J ，Q=4×104JB.W=8×104J，ΔU =－1.2×105J ，Q=－2×105JC.W=－8×104J，ΔU =1.2×105J ，Q=2×104JD.W=－8×104J，ΔU =－1.2×105J ，Q=－4×104J例2．一定质量的理想气体经过一系列过程，如图所示．下列说法中正确的是( )a→过程中，气体体积增大，压强减小，气体吸热A.bb→过程中，气体压强不变，体积增大，气体对外做功B.cC.a c →过程中，气体压强增大，体积变小，气体吸热D.a c →过程中，气体内能增大，体积不变例３．水在1个标准大气压下沸腾时，汽化热为L=2264 J/g ，这时质量m=1g 的水变为水蒸气，其体积由V1=1.043 cm3变为V2=1676 cm3，在该过程中水增加的内能是多少？例4．“和平号”空间站己于2001年3月23日成功地坠落在南太平洋海域，坠落过程可简化从为一个近圆轨道（可近似看作圆轨道）开始．经过与大气摩擦，空间站的大部分经过升温、熔化、最后汽化而销毁，剩下的残片坠入大海．此过程中，空间站原来的机械能中除一部分用于销毁和一部分被残片带走外，还有一部分能量Ｅ’通过其他方式散失（不考虑坠落过程中化学反应的能量）．（1）试导出下列各物理量的符号表示散失能量Ｅ’的公式． （2）算出Ｅ’的数值（结果保留两位有效数字）． 坠落开始时空间站的质量Ｍ＝1. 57×105㎏； 轨道离地面的高度为h =146km ； 地球半径为Ｒ＝6.4×106m ；坠落空间范围内重力加速度可看作g =10m/s 2； 入海残片的质量m =1.2×104㎏； 入海残片的温度升高△Ｔ＝3000K ； 入海残片的入海速度为声速v =340m/s ；空间站材料每1千克升温1k 平均所需能量Ｃ=1.0×103J ； 每销毁1千克材料平均所需能量7100.1⨯=μJ【当堂反馈】１．如题图，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。
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2020/5/12
5．加压使实际气体液化，必要条件是气体要达到（ ）。 Ａ.波义耳温度之下Ｂ。临界温度之下 Ｃ.温度低于沸点心Ｄ。临界温度之上 6．在一定Ｔ、ｐ下，某实际气体的Ｖｍ大于理想气体的Ｖｍ，则该气体的压缩 因子Ｚ（ ）。 Ａ．＝１ Ｂ．＞１ Ｃ．＜１ Ｄ．无法确定 7．下面关于压缩因子Ｚ的阐述中，正确的是（ ）． Ａ．Ｚ主要用于对实际气体ｐ、Ｖ、Ｔ的计算 Ｂ．同一温度下，各种气体的Ｚ都随压力而变化 Ｃ．Ｚ＞１，气体不易压缩，而Ｚ＜１，气体易压缩 Ｄ．Ｚ＞１，气体不易液化，而Ｚ＜１，气体易液化
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2020/5/12
§2.1 热力学基本概念
一、系统与环境 二、系统的性质 三、状态和状态函数 四、平衡态 五、过程和途径 六、过程函数 七、内能 八、焓
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2020/5/12
一、系统与环境
系统（System） 在科学研究时必须先确定研
的计算问题。 4. 热力学第零定律 热平衡原理
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2020/5/12
人造金刚石： C（石墨）→C（金刚石） 由热力学知道 P>15000P 时，才有可能； 今天已实现了这个转变（60000P°，1000℃， 催化剂）
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2020/5/12
热力学的方法和局限性
第一章 气 体 Chapter 1 Gas
• 本章基本要求： • 掌握理想气体状态方程 • 掌握理想气体的宏观定义及微观模型 • 掌握分压、分体积概念及计算。 • 理解真实气体与理想气体的偏差、临界现象。 • 掌握饱和蒸气压概念 • 理解范德华状态方程、对应状态原理和压缩因子图，了解
对比状态方程及其它真实气体方程。
。
11. 当液体的蒸气压与外压相当时，液体就开始沸腾，此时的温度称为
。
二、选择题
１．对于实际气体，下列与理想气体相近的条件是（ ）。
A．高温高压 B.。高温低压 C。低温高压 D。低温低压
2．理想气体状态方程pV＝nRT 包括了三个气体定律，它们是（ ）。
A．波义尔定律、盖-吕萨克定律和道尔顿定律
B．波义尔定律、阿伏加德罗定律和阿马格定律
3．要使气体液化，一般需要
和
。
4．在恒压下，为了将某容器中300K 的气体赶出1/3，需将容器（设容积不变
）加热到
K．
5．在300.15K 、200kPa 下，测得Ne与Ar混合气体的密度为2.37kg·m-3。则
混合气体中Ne的分压力为
kPa 。
6．在临界点处等温线的一阶、二阶偏导数
，即
7 ． 若不同的气体有两个对比状态参数彼此相当，则第三个对比状态参数
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2020/5/12
本章小结：
气体计算方法
理想气体状态方程 实际气体状态方程 压缩因子图
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2020/5/12
1．理想气体微观模型必须具有的两个特征是
和
。
2．恒温条件下测定了一系列低压下的某气体 和 值，则可在pVm-p
图上用
法求取气体常数R 的准确值。
C．阿伏加德罗定律、盖-吕萨克定律和波义尔定律、
D．盖-吕萨克定律、阿伏加德罗定律和阿马格定律
3．对于理想气体，下面不正确的是（ ）。
4．在268.15Ｋ，Ａ、Ｂ两个抽空的容器中分别为100g 和200g 水。当达到
气液平衡时，两个容器中的水蒸气压力分别为ｐA 和ｐB，则有（ ）。
A. pA<pB B.pA>pB C.pA=pB D.无法确定
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2020/5/12
物理化学电子教案—第二章
热力学第一定律及其应用
UQW
The First Law Of Thermodynamics
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2020/5/12
1、热力学第一定律 ——变化过程中的能量转换 的定量关系。
2、热力学第二定律 ——变化过程的方向和限度。 3、热力学第三定律——规定熵，解决化学平衡
8．设ｉ为理想混合气体中的一个组分，下面正确的是（ ）
9．两种不同气体处于对应状态时，则它们（ ）相同． Ａ．压力Ｂ．温度计Ｃ．压缩因子Ｄ．pVm
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2020/5/12
１0．混合理想气体的组分Ｂ，其物质的量ｎB 为( ).
１1．关于临界点的性质，下面描述不正确的是（ ）． Ａ．液相摩尔体积与气相摩尔体积相等 Ｂ．液相与气相之间不存在界面 Ｃ．气、液、固三相共存 Ｄ．气化热为零
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2020/5/12
本章内容
• §2-1热力学基本概念及术语 • §2-2热力学第一定律 • §2-3恒容热、恒压热、及焓 • §2-4摩尔热容 • §2-5热力学第一定律对理想气体的应用 • §2-6热力学第一定律对一般固、液体的应用 • §2-7热力学第一定律对实际气体的应用 • §2-8热力学第一定律对相变化的应用 • §2-9热力学第一定律对化学变化的应用 • 本章小结与学习指导
。
8．对于一定量的组成不变的气体，则
9．恒压下，物质的量恒定的某理想气体，其温度随体积的变化率
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2020/5/12
10．某实际气体在366.5K，2067kPa 时临界温度Tc=385.0K, 临界压力ｐ
c=4123.9kPa 。则该气体的对比温度Tr＝
，对比压力ｐr＝
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2020/5/12
基本要求
理解热力学概念：平衡态、状态函数、可逆过程、反应 进度、热力学标准态； 理解热力学第一定律的叙述和数学表达式；
掌握热力学能、焓、标准摩尔反应焓、标准摩尔生成焓、 标准摩尔燃烧焓等概念； 掌握pVT 变化、相变化和化学变化过程中，热、功及状 态函数U、 H 的计算原理和方法，会用状态方程 （理想气体状态方程）和有关物性数据（摩尔热容、 相变焓、饱和蒸气压等）。
热力学方法 •性研质究，对所象得是结大论数具量有分统子计的意集义合，体N，>1研020究。宏观
•只考虑变化前后的净结果，不考虑物质 的微观结构和反应机理。
•能判断变化能否发生以及进行到什么程 度，但不考虑变化所需要的时间。 局限性 不知道反应的机理、速率和微观性质， 只讲可能性，不讲现实性。
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