物理化学第一章-热力学
物理化学热力学
第一章 热力学第一定律 1、热力学三大系统：（1）敞开系统：有物质和能量交换； （2）密闭系统：无物质交换，有能量交换； （3） 隔绝系统（孤立系统）：无物质和能量交换。
2、状态性质（状态函数）：（1）容量性质（广度性质）：如体积，质量，热容量。
数值与物质的量成正比；具有加和性。
（2）强度性质：如压力，温度，粘度，密度。
数值与物质的量无关；不具有加和性，整个系统的强度性质的数值与各部分的相同。
特征：往往两个容量性质之比成为系统的强度性质。
3、热力学四大平衡：（1）热平衡：没有热隔壁，系统各部分没有温度差。
（2）机械平衡：没有刚壁，系统各部分没有不平衡的力存在，即压力相同 （3）化学平衡：没有化学变化的阻力因素存在，系统组成不随时间而变化。
（4）相平衡：在系统中各个相（包括气、液、固）的数量和组成不随时间而变化。
4、热力学第一定律的数学表达式：∆U = Q + W Q 为吸收的热（+），W 为得到的功（+）。
定容定温定压绝热,2121l n l n p m C T T Rpp = 得到的功W12lnp nRT p -或21lnV nRTV -p V-∆或n R T -∆,V m nC T∆吸收的热Q,V m nC T∆21ln V nR T V,p m nC T∆内能增量 U Q W ∆=+ ,V m nC T∆,V m nC T∆,V m nC T∆焓变H U pV ∆=∆+∆ ,V m nC T∆,p m nC T∆,p m nC T∆熵变S∆21ln V TC T12ln p n R p或21lnV n RV21ln p T C T亥姆霍兹（定温定容） A U T S ∆=∆+∆ pdV-⎰吉布斯（定温定压） G H T S ∆=∆-∆21lnp nRT p12、在通常温度下，对理想气体来说，定容摩尔热容为：单原子分子系统,V mC =32R双原子分子（或线型分子）系统 ,V m C =52R 多原子分子（非线型）系统 ,V mC 632R R ==定压摩尔热容：单原子分子系统 ,52p m C R =双原子分子（或线型分子）系统 ,,p m V m C C R -=,72p m C R =多原子分子（非线型）系统 ,4p m C R =可以看出：,,p m V m C C R -=13、,p mC的两种经验公式：,2p m C a b T c T =++ （T 是热力学温度，a,b,c,c’ 是经,2'p m c C a b T T=++ 验常数，与物质和温度范围有关）14、在发生一绝热过程时，由于0Qδ=，于是dU W δ= 理想气体的绝热可逆过程，有：,V m n C d T p d V=- ⇒22,11l n l n V m T V C R T V =-21,12l n ,l n V m p V C C pm p V ⇒=,,p m V mC p V C γγ=常数 =>1.15、-焦耳汤姆逊系数：J T T=()H pμ∂∂-J T μ-＞0 经节流膨胀后，气体温度降低；J T μ-＜0 经节流膨胀后，气体温度升高； J T μ-=0 经节流膨胀后，气体温度不变。
物理化学第1章 热力学第一定律
系统从环境吸热Q为正值，系统放热于环境Q为
负值。 ⑶单位： 常用单位为焦耳（J）或千焦耳(kJ)。
⒉功 ⑴定义和符号
系统与环境之间除热以外被传递的其他各种形式
的能量统称为功，用符号W表示。 ⑵正负值规定 系统对环境做功W为负值，系统从环境获得功W为 正值。
⑶单位：常用单位为焦耳（J）或千焦耳 (kJ)。
p( H 2 ) y( H 2 ) p总 =0.6427 108.9=70.00 kPa
p( N2 ) p总 p( H2 ) 38.89 kPa
四、阿马格分体积定律
由A、B、C组成的理想气体混合物
nRT (nA nB nC ) RT V p p
VA VB VC
⑶热力学能是系统的广度性质，具有加和性。
热力学能的微小变化dU可用全微分表示
通常，习惯将热力学能看作是温度和体积的函数，
即U=f(T,V)，则
U U dU ( )V dT ( )T dV T V
理想气体的热力学能只是温度的函数。
1.3热力学第一定律
一、能量守恒与热力学第一定律
1.能量守恒定律
自然界的一切物质都具有能量，能量有各种各样形式， 并且能从一种形式转变为另一种形式，但在相互转变过 程中，能量的总数量不变。 2.热力学第一定律
本质：能量守恒定律。 常用表述：“第一类永动机是不可能造成的。” 第一类永动机是指不需要供给能量而可以连续不断做功
的机器。
二、封闭系统热力学第一定律的数学表达式
⑶恒容过程：变化过程中系统的体积始终恒定不变过程。
⑷绝热过程：系统与环境之间没有热交换的过程。 ⑸循环过程：系统由某一状态出发，经历一系列的变化，又 回到原状态的过程。
大学化学《物理化学-热力学第一定律及其应用》课件
(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)
p"(V "V ')
p
p1
p1V1
p2 (V2 V ")
p'
所作的功等于3次作功的加和。p "
p 'V ' p"V "
可见，外压差距越小，膨 p2 胀次数越多，做的功也越多。
V1 V ' V "
p2V2
V2 V
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2024/9/13
功与过程（多次等外压膨胀）
p"
p' p1
V"
V1
V'
p
p1
p1V1
p2
V2
p'
p 'V '
阴影面积代表We,3
p"
p"V "
p2
p2V2
上一内容
下一内容
V1 V ' V "
第三步：用 p1 的压力将体系从V ' 压缩到 V1 。
p
W' e,1
p"(V "
V2 )
p1
p1V1
p' (V ' V ")
p'
p 'V '
p1(V1 V ' )
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V2 V
物理化学中的热力学基础 -1
即
H nC p ,m dT
T1
T2
应注意：下面的两式使用条件。
dH = CpdT = nCp,m dT
和 δQp = dHp = Cp dT = nCp,m dT
封闭系统的理想气体
封闭系统的定压过程
热容是系统的状态函数，与系统的物质性质、量、温度有 关。摩尔热容的单位是 J· -1 · -1。 K mol
空气 真空 (p 2MPa） 图1-3 空气向真空膨胀
U U ( )T 0 ( )T 0 p V
（1-11）
严格地讲，式（1-11）只对理想气体成立。 结论：物质的量不变(组成及量不变)时，理想气体的热力学能 U 只是温度的函数。 U＝f（T） （1-12）
例：设绝热箱内有一电炉丝浸于水中，接 上电源通电，如图所示。 若以水为系统，则ΔU > 0，Q > 0，W = 0； 水
系统在一定环境条件下，经足够长的时间，可观测到的 宏观性质都不随时间而变，此时系统的状态称为热力学
平衡态。
热力学平衡态应同时有： ⑴热平衡：系统各部分T 相等；若不绝热,则T系统= T环境。 ⑵力平衡：系统各部分p 相等；边界不相对位移。 ⑶相平衡：系统各相长时间共存,组成和数量不随时间而变。 ⑷化学平衡：系统组成不随时间改变。
异途同归，增量相同；周而复始，增量为零。
描述系统的状态不需要罗列所有的热力学性质。 对组成 不变的均相封闭系统只需 2个独立变化的热力学性质就可
以完全确定系统的状态了，如理想气体 pV=nRT。其体
积 V = f (p,T )，体积的微小变化可由下式表示。
V V dV ( ) p dT ( ) T dp T p
系统内所有粒子的动能＋势能
大学课程《物理化学》各章节知识点汇总
第一定律的数学表达式
U Q W
对微小变化： dU Q W
等容热效应
dU Q W W pdV 0
dU QV
CV
QV
dT
U T
V
U QV ,
U nB
S ,V ,n j B
H nB
S, p,nj B
F nB
T ,V ,n j B
B
G nB
T , p,n j B
n B
S ,V ,n j B
F f (T ,V , n1, n2 )
H f (S, p, n1, n2 )
组成可变系统的热力学基本关系式：
dU TdS pdV BdnB
Q和W都不是状态函数，其数值与变化途径有关。
§1-4 可逆过程和体积功
一、体积功
因系统的体积变化而引起的系统与环境之间交换的功称
为体积功。 pe
W Fedl ( pe A)dl
ped ( Al) pedV
A
dl
pi
二、功与过程
功不是状态函数，其数值与过程有关。系统由同一始态 经不同的过程变化到同一终态，则体统对环境或环境对 体系所作的功不同。
p2 dp
压缩
p1
p1
p2 , V2
p1, V1
p2
V1
V2
W
V1 V2
pedV
( p V1
V2
i
dp)dV
V1 V2
pi dV
三、可逆过程
某系统经一系列的过程后，如果系统回到初始状态叫做 系统的复原；环境在经历一些的变化后，如果既没有功 的得失也没有热的得失就叫做环境的复原。
物理化学：第一章 热力学第一定律
始态A
途径I C
B 途径II
终态Y
基本概念
系统的变化过程分为：
A. 单纯p，V，T变化过程（p,V,T change process）
B. 相变化过程（phase transformation process）
C. 化学变化过程（chemical change process）
几种主要的p,V,T变化过程
学上是一次齐函数。（如n，V，U等）
2、强度性质（intensive properties）：数值取决于体系自 身的特性，与体系的数量无关。不具有加和性。在数学上是 零次齐函数。（如p，T等）
一种广度性质 ＝强度性质， 另一种广度性质
如Vm＝Vn
，b＝ m V
等
基本概念
3. 热力学平衡态(thermodynamical equilibrium state)
dz
(
z x
)
y
dx
( z y
)x
dy
dz 0
③ 状态方程（equation of state）
定义：体系状态函数之间的定量关系式。
理想气体
V＝ nRT p
基本概念
5. 过程与途径(process and path)
定义：当外界条件改变时，体系的状态随之发生变化，体系 从某一状态变为另一状态成为体系经历了热力学方程，简称 为过程。完整地描述一个过程，应当指明始态、终态，外界 条件及变化的具体步骤，变化的具体步骤称为途径。
特性：a 是状态的单值函数，状态一经确定，状态函数就有 确定的数值，而与体系到达状态前的历史无关。
b 状态变化，函数随之变化，变化取决于体系的始终态， 与途径无关。
c 状态函数的组合仍然是状态函数。 d 状态函数的微小变化，在数学上是全微分。
物理化学-第一章-热力学第一定律-习题精选全文
273.15K
Q p1T1 p2T2
T2
p1T1 p2
2101.325 273.15 4 101.325
136.6K
V2
nRT2 p2
2.80dm3
2. U nCVmT 1.70kJ
H nCpmT 2.84kJ
3. QT C
p
Q pV RT CR p
p2 CR V
p CR V
(2)
9．反响CO〔g〕+1/2O2〔g〕→CO2〔g〕的 △rHmθ，以下说法何者是不正确的？
〔1〕△rHmθ是CO2〔g〕的标准摩尔生成焓 〔2〕△rHmθ是CO〔g〕的标准摩尔燃烧焓 〔3〕△rHmθ是负值 〔4〕△rHmθ与△rUmθ值不等
(1)
三.填空
1．在一绝热箱中置一绝热隔板，将箱分成两 局部。分别装有温度压力都不同的两种气 体。将隔板抽走使气体混合，假设以气体 为系统，那么Q0=〔 〕；W0=〔 〕； △U=〔 0 〕。
四 计算
1．1mol单原子理想气体，始态 2×101.325kPa，11.2dm3，经pT=常数的 可逆过程，压缩到终态为4×101.325kPa， Cvm=3/2R，求：
〔1〕终态的体积和温度； 〔2〕△U和△H； 〔3〕所作的功。
1.
T1
p1V1 nR
2 101.325 11.2 1 8.314
〔1〕B→C过程的△U2； 〔2〕B→C过程的Q2。
U U1 U2 U3 0 U1 0
U2 U3 W3
(2) B→C过程的Q2
∵△U=0, Q=-W(ABC围起的面积) ∵Q=Q1+Q2+Q3, Q3=0 ∴Q2=Q-Q1 Q1 (AB线下面的面积)
物理化学第二版习题答案
物理化学第二版习题答案物理化学是研究物质的物理性质和化学性质以及它们之间的相互关系的一门学科。
对于学习物理化学的学生来说，习题是巩固知识、提高能力的重要途径之一。
下面将为大家提供物理化学第二版习题的答案，希望对广大学生有所帮助。
第一章：热力学基础1. 答案：热力学是研究物质在能量转化过程中的规律的科学。
它主要研究能量的转化和守恒规律，以及物质在这个过程中的性质变化。
2. 答案：热力学第一定律是能量守恒定律，即能量可以从一种形式转化为另一种形式，但总能量守恒不变。
3. 答案：热力学第二定律是能量转化过程中的不可逆性原理，即自发过程的方向是从有序向无序的方向进行。
第二章：热力学函数1. 答案：热力学函数是描述物质性质和状态的函数，如内能、焓、自由能等。
2. 答案：内能是系统所拥有的全部能量的总和，包括系统的动能和势能。
3. 答案：焓是系统的内能和对外界做的功之和，常用符号表示为H。
第三章：热力学第一定律的应用1. 答案：热容量是物质吸收或释放热量时的温度变化与热量变化之比。
2. 答案：绝热过程是指在过程中系统与外界没有热交换，即系统的热容量为零。
3. 答案：等温过程是指在过程中系统的温度保持不变，即系统与外界的热交换量为零。
第四章：热力学第二定律的应用1. 答案：熵是描述系统无序程度的物理量，表示系统的混乱程度。
2. 答案：熵增原理是热力学第二定律的数学表达式，它指出孤立系统的熵总是增加的。
3. 答案：卡诺循环是一种理想的热机循环，它由等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩四个过程组成。
第五章：相变和化学平衡1. 答案：相变是指物质由一种相转变为另一种相的过程，如固态到液态、液态到气态等。
2. 答案：平衡态是指系统各种性质的变化不再随时间变化，达到动态平衡的状态。
3. 答案：化学平衡是指在封闭容器中，反应物和生成物浓度达到一定比例时，反应速率前后保持不变的状态。
第六章：化学动力学1. 答案：化学动力学是研究化学反应速率和反应机理的学科。
第一章 热力学第一定律
糖水
糖水 糖
均相系统
多（复、非均）相系统
化学平衡：系统内化学组成不变
物理化学 第一章 热力学第一定律 宁夏大学新华学院
Joule（焦耳）和 Mayer（迈耶尔)自1840年起，历经 20多年，用各种实验求证热和功的转换关系，得到的结 果是一致的。
即： 1 cal = 4.1840 J
状态函数:确定体系状态的物理量 (p,V,T)
特点: (1) 状态一定，状态函数一定。
(2) 状态变化，状态函数也随之而变,且状态函数
的变化值只与始态、终态有关,与变化途径无关。
物理化学
第一章 热力学第一定律
宁夏大学新华学院
§1.2 热力学基本概念及术语
容量（广度）性质：与物质的数量成正比，具有加和性 如：V、n、C 强度性质：与物质的数量无关，不具有加和性 如：P、T、Vm 、ρ T1 P1 V1 T2 P2 V2
（c）整个膨胀过程中，始终保持外压比气体压力p只差无限小数值
p外=p-dp
W p外dV ( p d p)dV pdV dpdV
V1 V1 V1 V1
V2
V2
V2
V2
物理化学
第一章 热力学第一定律
宁夏大学新华学院
§1.4 体积功
准静态过程：由无限多个极其接近平衡态（静态）的步骤组成
学能的变化 (能量守恒定律)
物理化学 第一章 热力学第一定律 宁夏大学新华学院
1.3 能量守恒----热力学第一定律
热和功的取号与热力学能变化的关系 系统吸热 Q>0 环境 U > 0 W>0 系统 系统放热 Q<0 U <0 W<0
U = Q + W
物理化学第一章总结
第一章总结一热力学基本概念①系统分类：敞开、封闭、孤立②平衡态：各部分宏观性质不变，无宏观流③性质分类：广度，强度④状态函数及特点：1）2）3）⑤过程分类：恒温、恒容、绝热、恒压⑥可逆过程：无损耗、过程无限缓慢、做功最大或最小⑦理想气体物态方程：PV=nRT二热力学定律1）热力学第零定律：分别于第三物体达到平衡的两物体，他们彼此也一定互呈热平衡（确定温度）2)热力学第一定理：dU=δQ+δW焓的定义：dH=dU+d(PV)3）热力学第二定律：ds≥δQ/T=>“>”不可逆过程，T表环境温度“=”可逆过程，环境温度等于体系温度“<”熵变小于热温商过程不可能发生自发过程特征：一定方向和限度；不可逆；存在方向限度的决定因素。
又卡诺定理推出热力学第二定理：η=（Q1+ Q2)/Q1=(T1- T2)/T1=>（T2-T1）/T2>1+Q1/Q2 (卡诺定理）=>Q1/T1+Q2/T2<0=>dS≥δQ/T4）热力学第三定理：0K时任何完美晶体熵等于0理想气体各可逆过程重要变量计算过程 W Q △U △H △S自由膨胀 0 0 0 0 nRIn(V2/V1) 恒容 0 n Cv.m dT n Cv.m dT n m .p C dT n Cv.m In(V2/V1) 恒温 nRTIn(V2/V1) nRTIn(V2/V1) 0 0 nRTIn(V2/V1) 绝热 n Cv.m dT=(P2V2-P1V1)/(r-1) 0 n Cv.m dT n m p .C dT 0恒压 -pdT n m .p C dT n Cv.m dT n m .p C dT n m .p C In(V2/V1)。
第一章热力学第一定律
方法——状态函数法。
在数学上，状态函数的微分是全微分
例 ：U f (T ,V ) U U dU dT dV T V V T
22
《物理化学》
• 1.2.3 热力学平衡
• 热力学研究的对象是处于平衡态的系统。
• 一个处在一定环境下的系统的所有性质均不随时 间变化而变化，且当此系统与环境隔离后，也不会引
32
《物理化学》
• 1.3 热力学第一定律
• 1.3.1 能量守恒与热力学第一定律
能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失， 它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体 转移到其它物体，而能量的总量保持不变。孤立系统的
总能量保持不变。
热力学第一定律：本质为能量守恒定律 • 第一类永动机是不可能制成的。 • 内能是系统的状态函数。 • 隔离系统中发生任何变化，其内能不变。
•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。
17
《物理化学》
• 1.2.1 系统和环境
• 系统：我们所研究的那部分物质世界； • 环境：系统以外且与系统相关的部分。 系统与环境间有界面(假想的或真实的)分开， 可以有物质和能量的交换。
服从 pV=nRT 的气体为理想气体 或服从理想气体模型的气体为理想气体
（低压气体）p0 理想气体
8
《物理化学》 吸引力 分子相距较远时，有范德华力；
排斥力 分子相距较近时，电子云及核产生排斥作用。
E吸引 －1/r 6 E排斥 1/r n
Lennard-Jones理论：n = 12
E总 A B E吸 引＋E 排 斥＝－ 6 12 r r
物理化学考研讲义第一章热力学定律
1-1 热力学的一些基本概念
1. 系统与环境
隔离系统：与环境间无物质无能量交换。 封闭系统：与环境间无物质有能量交换。（研究重点） 敞开系统：与环境间有物质有能量交换。 【例题 1.1】什么是系统？常见的系统包括哪几种？（上海大学 2015）
第一章 热力学第一定律
答案： 热力学把作为研究对象的那部分物质成为系统。包含隔离系统、封闭系统和敞开系统。
A、
B、
C、
D、
答案：D 解析：焓是定义出来的函数，不遵循能量守恒定律。
【例题 1.13】
适用于下列过程（ ）。（合肥工业大学 2012）
A、理想气体从
反抗恒定的外压
膨胀到
B、 ，
下冰融化成水。
C、
，下点解
水溶液
D、气体从
，
可逆变化到
，
答案：B 解析：A 选项是恒外压，不是等压条件。
【例题 1.14】对于理想气体的等容过程有 （ ） ，等压过程有 （ ） 。（四川大学 2012）
【例题 1.9】如图，在绝热盛水容器中，侵入电阻丝，通电一段时间，通电后水及电阻丝的温度均略有
升高，今以电阻丝为体系有：（ ）。（东华大学 2015）
A、
绝热
B、
C、
D、
答案：C
解析：以电阻丝为系统，得到电功
，电阻丝放热
得，温度升高
。
【例题 1.10】 在一保温良好、门窗紧闭的房间里，放有电冰箱，若将电冰箱门打开，且不断想冰箱供
，当温度升高时，系统除了增加热
力学能外，还要多吸收一部分热对外做膨胀功。）
【例题 1.15】在恒压下的一定量理想气体，当温度降低时，其内能将（ ）。（四川大学 2012）
物理化学课件-第一章-热力学精选全文
第二节 热力学基本概念
一、系统与环境
系统：划定的研究对象 环境：与系统相关联的其余部分 划定界面： 实际存在的想象的
（系统 + 环境 = 宇宙）
开放系统 封闭系统
系统分类： 敞开系统：有物质交换 有能量交换 封闭系统：无物质交换 有能量交换 隔离系统：无物质交换 无能量交换 (孤立系统)
V = f(T, p) dV = (V/ T)pdT + (V/ p)pdp
H2O (s, 25oC,1 atm ) H2O (g, 25oC,1 atm )
H2O (l, 25oC, 1 atm )
4. 不同状态函数的初等函数（+ - x /）也是状态 函数
G = H – TS; H ＝ U + pV
功和热都不是系统性质，所以也不是状态函数！不符合全 微分性质，其微小变化表示为Q和P
第三节 热力学第一定律
一、热力学能（内能U-internal energy ）
系统总能量 整体动能 系统中各种形式能量的总和
整体势能
内能 U 分子动能（平动、转动、振动） 温度T
分子位能
体积 V
分子内能量（更小一级质点能量）
七、功和热
体系和环境间能量传递交换的两种形式
1．热(Q)： 由温度差异引起的能量传递， 规定： 系统吸热，Q为正值 系统放热，Q为负值 显热： 热量传递时，系统的温度改变。如水
50C~100C 潜热： 热量传递时，系统的温度不变。如水100C蒸发 热是一种由质点无序运 动平均强度不同传递的能量 热不是状态函数，Q的大小与途径有关
若压力是连续变化的 W =- p外dV
W = - p外dV
等容过程 真空膨胀过程
物理化学第1章 热力学第一定律及其应用
Q U W U H=40.69kJ
37.59kJ
§2.6 理想气体的热力学能和焓
一、理想气体U
理想气体有两个基本特点：a 分子本身不占有体积 b分子间没有相互作用力
理气内能只是温度的函数，即 U =f (T )
具体写成数学式为：
功可以分为：
体积功：本教材又称膨胀功 定义——由于系统体积变化而与环境交换的功 We
非体积功：也称非膨胀功，其他功 指体积功以外的功 Wf 热力学中一般不考虑非膨胀功
四、数学表达式
设想系统由状态（1）变到状态（2），系统与环
境的热交换为Q，功交换为W，则系统的热力学能的变
化为：
U U2 U1 QW
二、内能（热力学能）
1.定义：指系统内部能量的总和， 包括分子运动的平动能、 分子之间相互作用的位能、 分子内部的所有能量 符号：U
系统总能量通常（E ）有三部分组成：
（1）系统整体运动的动能
（2）系统在外力场中的位能 （3）内能
热力学中一般只考虑静止的系统，无整体运动，不考虑 外力场的作用，所以只注意内能
对于微小变化
dU Q W
说明：（1）W指的是总功，包括We、Wf （2）适用范围：封闭体系 、孤立体系 (没有物质交换的体系)
§2.4 体积功 W Fdl
一、体积功的计算 pi > pe We FedlFe AAdlpedV
公式说明：
（1）不管体系是膨胀还是压缩，体积功都用-p外dV表示； （2）不用-pdV表示；p指内部压力， p外指外压，也不能用-p外V、 -Vdp外表示。
§2.3 热力学的一些基本概念
一、系统与环境
物理化学 第一章 热力学第一定律
1.1 热力学第一定律1.1.1 热力学的研究对象1.热力学：研究能量相互转换过程中所遵循的规律的科学2.化学热力学:用热力学的基本原理来研究化学现象以及和化学有关的物理现象的科学3.研究的内容：研究化学变化的方向和限度。
4.热力学方法：研究对象是由大量质点（原子、分子、离子等）构成的宏观物质体系，所得结论是大量质点集体的平均行为，具有统计意义。
5.局限性：只能告诉我们在某种条件下，变化能否自动发生，发生后进行到什么程度，但不能告诉我们变化所需的时间以及具体的机理———可能性1.1.2 基本概念1.1.2.1 体系与环境1.体系: 所研究的对象。
（物系或系统）2.环境：体系以外并与体系密切相关的部分。
3. 体系分类：敞开体系： 体系与环境之间既有物质交换又有能量交换（） 封闭体系： 体系与环境之间没有物质交换只有能量交换（） 孤立体系： 体系与环境之间没有物质交换没有能量交换 （）1.1.2.2 状态与状态函数1. 状态：体系的物理性质和化学性质的综合表现状态函数：描述体系状态的性质注：（1）体系与环境的划分不绝对 （2）体系与环境的界面可以是实际存在的，也可以是虚拟的2. 状态函数的特点：A.状态一定，值一定；反之亦然B.异途同归，值变相等，周而复始，数值还原。
C.状态函数的微小变化是全微分，并且可积分D.状态函数代数运算的结果仍然是状态函数，如ρ=m/VE.状态函数之间存在着相互联系，如对于一定量的理想气体P、V、T之间存在下列关系PV=nRT说明：①定量纯物质均相体系或组成不变的多组分均相体系：只需两个独立改变的状态函数就能确定体系的状态②组成可变的多组分均相体系：除两个独立改变的状态函数之外，还需各组分的物质的量3. 状态函数的分类：根据状态函数与体系物质的量的关系，状态函数可以分为两类：广度性质：其数值与体系中物质的量成正比，具有加和性。
整个体系的该广度性质的数值，是组成体系的各部分该性质数值的总和强度性质：其数值与体系中物质的量无关，没有加和性。
物理化学 1第一章 热力学第一定律
第一章热力学第一定律内容提要1、热力学热力学（thermodynamics）是研究热、功、能相互转换过程中所遵循的规律的科学。
它研究物理变化和化学变化过程中所发生的能量效应、方向和限度。
热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热现象领域内所具有的特殊形式，阐明了内能、热、功之间的相互转化和定量关系；热力学第二定律解决在一定条件下化学变化或物理变化的方向和限度问题；热力学第三定律是关于低温现象的定律。
2、体系与环境体系（system）是指将一部分物质从其余的物质之中划分出来作为研究的对象；环境（surroundings）是指体系之外与体系密切相关的部分。
根据体系与环境之间能量传递和物质交换的不同，体系可以分为三种：(1)隔离体系是指体系与环境之间既无物质的交换，也无能量的传递，又称孤立体系。
(2)敞开体系是指体系与环境之间既有物质的交换，又有能量的传递，又称开放体系。
(3)封闭体系是指体系与环境之间没有物质的交换，但有能量的传递。
3、体系的性质体系的性质分为广度性质与强度性质两类。
广度性质是指数值的大小与体系中所含物质的量成正比的体系性质，如体积、质量、热容、内能、吉布斯能、熵等。
广度性质具有加和性。
强度性质是指仅取决于体系的特征而与体系所含物质的量无关的体系性质，如温度、压力、密度、粘度等。
强度性质不具有加和性。
体系的某一广度性质除以另一广度性质得一强度性质，体系的某一广度性质乘以另一强度性质得一广度性质。
4、热力学平衡态热力学平衡态同时存在下列平衡：(1)热平衡：体系中温度处处相等。
(2)力学平衡：体系各部分之间及体系与环境之间没有不平衡的力存在。
(3)相平衡：体系中各相的组成和数量不随时间而变。
(4)化学平衡：体系中发生的化学反应达到平衡，体系的组成不随时间而变。
5、状态函数（state function ）状态函数是指由体系的状态所确定的体系的各种热力学性质。
它具有下列特性：(1)状态函数是体系状态的单值函数，与体系到达此状态前的历史无关。
物理化学1 热力学第一定律
体积功 功 非体积功 W’ 电功 表面功 光 轴功，等
1、体积功的计算
p外 dV
若体积膨胀或压缩dV (即V→V+dV)，则
W p外dV
W p外dV
V1 V2
系统，V
使用该公式注意： （1）不论系统是膨胀还是压缩体积功都用-p外dv来计算， 不能用系统压力p，pV或Vdp都不是体积功； （2）此处W与热力学第一定律△U=Q+W中的W不同； （3）公式中的负号。
作业：p19 习题14。
第一章 热力学第一定律
§1.6 理想气体的内能和焓
实验结果：没有发现水温的 变化，也就是ΔT=0，系统与 环境没有热交换，Q=0。 W=0 ΔU=0
结论：在温度一定时气体的 内能U是一定值，而与体积无 关。
第一章 热力学第一定律——理想气体的内能和焓
U U dU dT dV T V V T
第一章 热力学第一定律——理想气体的内能和焓
理想气体的等温可逆过程：
U 0,
H 0
U Q W Q W
Q W
V2
V1
nRT V2 p1 dV nRT ln nRT ln V V1 p2
§1.7 热 容
1、定容热容和定压热容
热容的定义：系统每升高单位温度所需要吸收的热。
热力学物理量 状函数
过程量
Ⅰ (过程量)
A
(状态 函数) Ⅱ (过程量)
B
(状态 函数)
(1) Ⅰ和Ⅱ的过程量一般不同：QⅠ≠ QⅡ， WⅠ≠ WⅡ Ⅰ和Ⅱ的状态函数变化相同：YⅠ＝ YⅡ (2) 一般Q ≠-Q逆， W ≠-W逆； 但Y ＝- Y逆
3. 热力学第一定律的数学表达式 当一系统的状态发生某一任意变化时，假设系统吸收 的热量为Q，同时做出的功为W，那么根据第一定律， 应当有下列公式：
物理化学第一章热力学第一定律
常用的热量单位是卡(cal)：
热力学所采用的热功当量为:
1
2
3
4
5
01
等压过程和焓
02
若体系经历一等压过程,且不作有用功,由热力学第一定律:
03
U＝Q＋W＝Q－∫p外dV
04
等压过程： p外＝p2=p1
05
U＝Q－p1or2(V2－V1)
06
对上式进行改写：
07
(U2－U1)＝Q－(p2V2－p1V1)
理想气体的微观模型: 满足以下两个条件的体系为理想气体.
. 分子之间没有作用力, 分子间不存在作用势能;
. 分子的体积可以忽略不计, 可视为数学上的点.
热力学定义: 满足理想气体状态方程的体系. 方程为:
pV = nRT
式中n为体系所含物质的量,R为气体常数: R=8.314 J/mol.K.
08
(U2+p2V2)－(U1+p1V1)＝Qp (1)
第二节 焓 (enthalpy)
上式的左边全是状态函数，而右边为过程量Q，对于等压过程，式中括号中的量总是一起出现，故可定义： H≡U＋pV (2) H称为焓(enthalpy)。 因为H是状态函数的组合，所以H必为状态函数。 把H代入(1)式，可得： H＝Qp (3) 上式物理含义是： 无有用功的等压过程热效应等于体系的焓变。
第一节 热力学第一定律
1
热力学第一定律(first law of thermodynamics)
2
自然界的能量既不能创生,也不会消灭.
3
热力学第一定律即为： 能量守恒原理.
4
更广泛地可定义为： 物质不灭定律.
5
第一定律可表述为: 第一类永动机不可能
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第一类永动机
热力学能（U）
• 热力学能： 以前称为内能，它是指系统内部能量的总和。 • 包括：核、电子、振动、平动、转动等。 • 热力学能是系统自身的性质，即容量性质，具有状态函数的
特征。它具有能量的单位：J。
• 热力学能是状态函数，用符号U表示，它的绝对值无法测定， 只能求出它的变化值。
若体系自 A 可经两条不同的途径 (1)和(2)到达 B (见图), 两途径的内能变化必相等, 即
△U1 = △U2 设内能不是状态函数, 其改变值与途径有关, 假定
△U1 >△U2 当体系自A→B→A时, 总过 程内能变化为:
△U = △U1 －△U2 > 0
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体系循环一周, 却凭空创造出能量; 如此循环 下去, 能量源源不断地输出, 成为第一类永动机, 这 是违反第一定律的. 故内能是体系的状态函数.
• (3) 因为水和电炉丝均为系统，系统之间的热交换是不计的。 电源对系统做电功，系统热力学能增加。Q=0,W>0,U>0
• (4) 因为这是个孤立系统，系统之间的热、功交换是不计的。 Q=0,W=0,U=0
小结：Δ与δ的差异
Δ，d 均表示变化
Δ表示大的、宏观的变化，例如从状态1变化到状态2，状态函 数的变化。 d表示微小的变化，全微分符号。 Δ、d后面为可以进行全微分的函数，包括所有状态函数。
热力学方法和局限性
•热力学的方法是一种演绎的方法, 它结合经验所得到的几个基 本定律, 讨论具体对象的宏观性质.
•热力学的研究对象是大量分子的集合体, 所得到的结论具有统 计意义, 只反应它的平均行为, 而不适宜于个别分子的个体行 为.
•热力学方法的特点:不考虑物质的微观结构和反应进行的机理.
•热力学方法的局限:可能性与可行性;变化净结果与反应细节; 宏观了解与微观说明及给出宏观性质的数值;
• 功的种类 • 体积功 • 机械功 •电 功 •势 能 • 表面功 • 化学功
广义力 p f E mg
广义位移 dV dl dQ dh dA dn
功的表达式 W= －pdV －f dl －EdQ
mgdh
－dA dn
膨胀功 非膨胀功
过程量
•过程量：不仅与系统的始末态有关，还与系统所经历的途径 有关的热力学量称为过程量，也称过程函数。
过程和途径
• 热力学系统发生的任何状态变化称为过程。 • 完成某一过程的具体步骤称为途径。
如: pVT变化过程、相变化过程、化学变化过程
几种主要的p,V,T变化过程
(1) 定温过程：T1 = T2 ＝T环 过程中温度恒定。
定温变化：T1 = T2 (2) 定压过程：p1＝p2＝p环
过程中压力恒定。
举例：暖水瓶
状态和状态性质
状态 : 系统所有宏观性质(包括物理性质和化学 性质)的综合表现. 状态性质 : 描述系统状态的热力学函数。如 p,T,V
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状态性质可分为两类
• 容量性质: 这种性质的数值与系统中物质的量成正比，具有 加和性，在数学上是一次齐函数。 例如，体积，质量等等。
Q和W的微小变化用符号" " 而不能用 "d" 表示
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体积功 功
系统体积V变化时与环境传递的功；
非体积功 体积功以外的其它功,如,机械功,电
功,表面功等。 • 广义功的一般表达式为：
• W＝－xdx
• x是广义力：可以是牛顿力、压强、电压等；dx是广义位移： 可以是距离、体积、电量等。
U T
V
dT
U V
T
dV
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U T
V
U T
p
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热和功的ห้องสมุดไป่ตู้念
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：系统吸热，Q>0 系统放热，Q<0
热的本质是分子无规则运动强度的一种体现
• 能量守恒与转化定律应用于热力学系统就是热力学第一定律。 • 能量守恒与转化定律的确立，绝不意味着该原理已告完成。
• 能量守恒与转化定律已经成为自然科学的一块基石，重要性 不言而喻，但决不是自然界唯一的法则。
• 例：如图所示，开水瓶中有一热得快，与外电源相接。如果按照
以下几种情况选择系统，试判断△U，W和Q的符号。
热力学平衡态
• 系统与环境间必须同时达到以下四个条件时, 才可认为系统达 热力学平衡, 此时系统的状态称为热力学平衡态.
热平衡 若系统内各部分间无绝热壁存在, 系统传 热平衡后各部分温度相等。
力学平衡 系统内无刚性壁存在时, 达力平衡后各 部分压力相等。
相平衡 若系统内存在有几个相, 系统达相平衡后， 相与相之间无物质转移。
• 系统与环境之间的边界可以是实际的，也可以是想象的。
系统分类
• 热力学上因系统与环境间的关系不同而将其分为三种不同
的类型:
• 开放系统 : 系统与环境之间既有能量，又有物质的交换；
• 封闭系统: 系统与环境间只有能量的交换没有物质的交换；
• 隔离系统: 系统与环境间既无能量又无物质的交换 。 • 注意：系统+环境=孤立系统。
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热力学能是状态函数，对于物质的量一定的纯物质单 相密闭系统，经验证明，用 p，V，T 中的任意两个就能 确定系统的状态，即
U U (T, P)
则对于U微小变化
dU
U T
p
dT
U p
T
dp
如果是 U U (T ,V )
dU
δ表示微小量，后面为不可以直接进行全微（积）分的函数， 包括过程量，例如Q、W。
• 系统经历一过程的状态函数差值，只取决于系统的始末两态。 用数学 语言表达：状态函数在数学上具有全微分的性质，用 符号d表示，如dV、dp。
• 系统经过一系列过程，回到原来的状态，即循环过程，状态 函数数值的变化为零。
• 以上三个特征只要具备其中一条，其他两个特征就可以推导出 来。
• 以上关于状态函数的特征可以反过来说：如果一个系统的有一 个量符合上述三个特征之一，可以判定有某一状态函数的存在。
• Q和W具有能量的单位：J或kJ。
热力学第一定律的数学表达式
• 对于封闭系统，系统与环境之间的能量交换形式只有热与功 两种，故有： U ＝Q＋W （封闭系统）
• 对于微小的变化过程： dU＝W＋Q （封闭系统）
• 根据热力学第一定律，孤立系统的热力学能不变. 即U＝常数 或 ⊿U＝0（孤立系统）
焦耳：J.P.Joule 1818-1889
1 cal = 4.1840 J
热力学第一定律的文字表述
• (1) 自然界的能量既不能创生, 也不会消灭. 热力学第一 定律即为能量守恒原理.
• (2) 第一类永动机是不可能制成的.
• (3) 孤立系统的热力学能不变. 即U＝常数 或 ⊿U＝0（孤立系统）
化学平衡 系统达化学平衡时, 系统内无宏观化学 反应进行, 系统的组成不随时间改变.
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平衡态？稳态？
一金属棒分别与两个恒温热源相接触，经过一定时间后，金属 棒上各指定点的温度不再随时间而变化，此时金属棒是否处于 热力学平衡态?
T2
T1
热力学第一定律
• 热功当量 焦耳（Joule）和迈耶(Mayer)自1840年起，历经20 多年，用各种实验求证热和功的转换关系，得到的结果是一 致的。即： 1 cal = 4.1840 J。
计算热一定要与系统与环境之间发生热交换的
过程联系在一起，系统内部的能量交换不可能是
热。
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功（work）:系统与环境之间传递的除热以外的 其他能量都称为功，用符号W表示。
W的取号： 环境对系统作功，W>0 系统对环境作功，W<0
Q和W的单位都用能量单位 “J” 表示 Q和W都不是状态函数，其数值与变化途径有关。
• 这就是著名的热功当量，为能量守恒原理提供了科学的实验 证明。
• 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。
热功当量
• 上述三式均为热力学第一定律的数学表达式。 • 注意式中注明的条件 ！
热力学第一定律的地位
•第一定律的公式明确地将热和功区分为两项，体现了封闭系 统的能量交换只有这两种在本质上不同的方式。但是能量一旦 进入系统后便成为不可分辨的了，即热力学能不能区分为作功 的热力学能与传热的热力学能两种。
•第一定律是实践总结出的客观规律，它不是定义，也不能加 以证明，只能靠它推出的结论与实践相符来检验。
• 系统的性质是彼此相互关联的，通常只要确定其中几个性质， 其余随之而定，系统的状态也就确立了。确定系统状态的热 力学性质之间的定量关系式称为状态方程。
• 例如，理想气体的状态方程可表示为： pV=nRT
状态函数的特征
• 系统的状态一定，它的每一个状态函数具有唯一确定的值。 用数学语言表达：状态函数是系统状态的单值函数。
定压变化：p1 = p2
T1 p1,T2 P环
过程和途径
(3) 定容过程：V1 = V2 过程中体积保持恒定。
(4) 绝热过程：Q = 0 仅可能有功的能量传递形式。 (5) 循环过程：系统经一连串过程又回到始态。
状态2
(6) 对抗恒定外压过程： p环＝常数
p1, T1