热力学第一定律ppt课件
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21 热力学第一定律
1
21.1 基本概念 21.1.2. 热力学系统
气体 dx
开放系统 封闭系统 孤立系统
21.1.2. 状态参量和状态方程
1. 状态参量 热力学系统：P,V,T,E
F
P-V (P-T,V-T)图中“点”表示平衡态 p
2. 准静态过程 驰豫时间
.Ⅰ(p1V1T1)
过程进行中的每一时刻, 系统都处于平衡态.
2）P-Leabharlann Baidu 图上曲线下面积表示体积功大小。
3） 功是过程量。
.
21.3.2. 热量 热容
9
系统通过热传递过程与外界交换能量的量度为热量Q(卡).
Q>0 从外界吸收热量
Q<0 系统向外界放热
热量与功的异同:
1) 过程量：与过程有关；
2) 等效性：改变系统状态作用相同； 1卡=4.18焦， 1焦=0.24卡
.
一定质量的理想气体
T3 273.16K
对任意测量对象 T p V T 3 p 3V 3
(1)T(p)p
5
T 273.16 pV p3V3
对一定体积的气体，设温度为T
时，气体的压
3
强为 ，p t r 则有：
T(p)273.16p (k) ptr
(2)T(V)V
定容气体温度计
对一定压强的气体，设温度为T 3 时，气体的 体积为V t r ，则有：
热力学系统由大量粒子组成
大量、无规
统计方法
.
统计物理
21.3 热力学第一定律
8
21.3.1. 功
做功是使系统状态变化的一种方式，功是能量传递和
转化的量度和重要表现形式。(焦耳)
dx
系统对外做功（体积功）
A F d xP S d xP d V
V2
A dA PdV
讨论：
V1
气体 F
1）A > 0 系统对外界做正功； A < 0 系统对外界做负功。
CV ,m
(
dQ dT
)V
等容(体)摩尔热容
.
1 dQ
CV
( dT
)V
* 21.4 热力学第一定律在理想气体中的应用15
甲和乙不一定认识
.
21.2.2 温标
4
1、玻意耳定律 一定质量的气体，温度不变时
2、几个概念
PV = 常量
1、温标：温度的数值表示法 2、理想气体模型（宏观）
3、建立温标的三要素
在各种压强下都严格 遵守玻意耳定律气体
测温物质，测温属性， 固定标准点。
3、理想气体温标 pV T
标准温度定点为水的三相温度 （1954年）
2、温度 处于统一平衡态的所有热力学系统
都就有一个共同的宏观性质
定义为：温度
处于热平衡的所有热力学系统的热力学温度相同
3、热力学第零定律
A , B, C 三个热力学系统
在与外界隔离的条件下，如果A,B两个热力学系统每一个 都和系统C处于热平衡，则A和B两系统必定处于热平衡
这是实验定律，不是逻辑推理， 甲、乙两个人都认识丙，
违反热力学第一定律
.
21.4 热力学第一定律的应用
14
物质的热容 热力学系统温度升高dT，所吸收的热量为dQ
C
dQ dT
与过程有关
比热
c
dQ M dT
M为物质的质量
摩尔热容
Cm
dQ dT
等压热容
CP,m
(
dQ dT
)P
1 dQ
等压摩尔热容 CP ( dT )P
热容量与过程有关
Q吸CmT
等容(体)热容
T(V)273.16V (k) Vtr
定压气体温度计
.
4、温度计
6
发明者—伽利略（1659年）
例：定体气体温度计
常用酒精温度计，水银温度计，金属电阻温度计，温差电偶。
5、常用温标
华氏温标，水的冰点32º，沸点212º
摄氏温标，水的冰点0º，沸点100º。（常用）
热力学温标（绝对温标） 273.15K
理想气体的内能是温度的单值函数
Mi
E
RT
.
2
* 21.3.4 热力学第一定律
11
热力学第一定律
E 2E 1A 外对 Q 系 吸
包括热现象在内的 能量守恒定律
或 Q 吸E2E1A系对外
A,Q均为过程量。对一无穷小过程；
dE A 外对 系 Q 吸 这里 A外对系 pdV
因而 积分形式
Q吸dEpdV
V2
V2
Q吸 E2 E1 pdV E pdV
.
V1
V1
热力学第一定律
热现象的能量守恒定律
12
E2E1A外对 Q 系 吸 或
Q吸E2E1A系对外
A,Q均为过程量. 对一无穷小过程:
dE A外对 系 Q 吸 或： Q吸dEpdV
这里 A外对系 pdV
理想气体
积分形式
V2
V2
Q吸 E2 E1 pdV E pdV
PV m RT M
PVNNAmmii NAkT
NA6.0 2120m 3 o 1 l
k R1.381023JK1 NA
P N kT V
Pnk. T
21.2 热力学第零定律
3
1、热平衡
在不受外界影响的条件下，两个物体（热力 学系统）相互传递能量（热传递），达到一 个共同的平衡态
热平衡是能量的平衡，不是物质数量的平衡
3) 功与热量的物理本质不同.
功：与外力作用下的宏观位移相联系的能量传递过程，是一
种宏观方式；
热量：由于各部分温度不同而发生的能量传递过程，是微
观的方式。
.
10
21.3.3 内能
系统内所有粒子各种能量的总和
在热力学领域，系统内所有分子热运动动能和分子间相互作用 势能的总和称为系统内能，用E表示。
内能是状态量。 通常 EE(T,V)
P-V
(P-T,V-T)
图中“曲线”表示准静态过程
.
0
.Ⅱ(p2V2T2)
V
2
三、理想气体的状态方程
系统的平衡态可以用几个宏观状态参量来描述，这些状态 参量满足一定的关系，该关系式称为状态方程。
理想气体物 态方程
pV m RT M
摩尔气体常量 R 8 .3 J 1 m 1 o K 1 l
理想气体状态方程另一种表达式： PnkT
V1
V1
E i RT
2
Q
+ 系统吸热
系统放热
E2 E1
内能增加 内能减少
A
系统对外界做功 外界对系统做功
.
13
积分形式
V2
V2
Q吸 E2 E1 pdV E p d V
V1
V1
热力学第一定律的另一种表达方式
第一类永动机是不可能实现的
第一类永动机：系统从初态出发，不断地经历状态变 化回到原初态，过程中不需外界提供能量，而能对外 不断做功的永动机。
6、热力学第三定律 热力学零度（绝对零度）不能达到。
.
(1) 常温、常压下的气体
PnkT 7
T300K P1atm 1.013 105P a
n P kT
1.318.0113023105300
2.451025/m 3
十亿亿亿
(2) 高真空 T273K P1015atm
n110.3185110.02133217035 2.691010/m 3
1
21.1 基本概念 21.1.2. 热力学系统
气体 dx
开放系统 封闭系统 孤立系统
21.1.2. 状态参量和状态方程
1. 状态参量 热力学系统：P,V,T,E
F
P-V (P-T,V-T)图中“点”表示平衡态 p
2. 准静态过程 驰豫时间
.Ⅰ(p1V1T1)
过程进行中的每一时刻, 系统都处于平衡态.
2）P-Leabharlann Baidu 图上曲线下面积表示体积功大小。
3） 功是过程量。
.
21.3.2. 热量 热容
9
系统通过热传递过程与外界交换能量的量度为热量Q(卡).
Q>0 从外界吸收热量
Q<0 系统向外界放热
热量与功的异同:
1) 过程量：与过程有关；
2) 等效性：改变系统状态作用相同； 1卡=4.18焦， 1焦=0.24卡
.
一定质量的理想气体
T3 273.16K
对任意测量对象 T p V T 3 p 3V 3
(1)T(p)p
5
T 273.16 pV p3V3
对一定体积的气体，设温度为T
时，气体的压
3
强为 ，p t r 则有：
T(p)273.16p (k) ptr
(2)T(V)V
定容气体温度计
对一定压强的气体，设温度为T 3 时，气体的 体积为V t r ，则有：
热力学系统由大量粒子组成
大量、无规
统计方法
.
统计物理
21.3 热力学第一定律
8
21.3.1. 功
做功是使系统状态变化的一种方式，功是能量传递和
转化的量度和重要表现形式。(焦耳)
dx
系统对外做功（体积功）
A F d xP S d xP d V
V2
A dA PdV
讨论：
V1
气体 F
1）A > 0 系统对外界做正功； A < 0 系统对外界做负功。
CV ,m
(
dQ dT
)V
等容(体)摩尔热容
.
1 dQ
CV
( dT
)V
* 21.4 热力学第一定律在理想气体中的应用15
甲和乙不一定认识
.
21.2.2 温标
4
1、玻意耳定律 一定质量的气体，温度不变时
2、几个概念
PV = 常量
1、温标：温度的数值表示法 2、理想气体模型（宏观）
3、建立温标的三要素
在各种压强下都严格 遵守玻意耳定律气体
测温物质，测温属性， 固定标准点。
3、理想气体温标 pV T
标准温度定点为水的三相温度 （1954年）
2、温度 处于统一平衡态的所有热力学系统
都就有一个共同的宏观性质
定义为：温度
处于热平衡的所有热力学系统的热力学温度相同
3、热力学第零定律
A , B, C 三个热力学系统
在与外界隔离的条件下，如果A,B两个热力学系统每一个 都和系统C处于热平衡，则A和B两系统必定处于热平衡
这是实验定律，不是逻辑推理， 甲、乙两个人都认识丙，
违反热力学第一定律
.
21.4 热力学第一定律的应用
14
物质的热容 热力学系统温度升高dT，所吸收的热量为dQ
C
dQ dT
与过程有关
比热
c
dQ M dT
M为物质的质量
摩尔热容
Cm
dQ dT
等压热容
CP,m
(
dQ dT
)P
1 dQ
等压摩尔热容 CP ( dT )P
热容量与过程有关
Q吸CmT
等容(体)热容
T(V)273.16V (k) Vtr
定压气体温度计
.
4、温度计
6
发明者—伽利略（1659年）
例：定体气体温度计
常用酒精温度计，水银温度计，金属电阻温度计，温差电偶。
5、常用温标
华氏温标，水的冰点32º，沸点212º
摄氏温标，水的冰点0º，沸点100º。（常用）
热力学温标（绝对温标） 273.15K
理想气体的内能是温度的单值函数
Mi
E
RT
.
2
* 21.3.4 热力学第一定律
11
热力学第一定律
E 2E 1A 外对 Q 系 吸
包括热现象在内的 能量守恒定律
或 Q 吸E2E1A系对外
A,Q均为过程量。对一无穷小过程；
dE A 外对 系 Q 吸 这里 A外对系 pdV
因而 积分形式
Q吸dEpdV
V2
V2
Q吸 E2 E1 pdV E pdV
.
V1
V1
热力学第一定律
热现象的能量守恒定律
12
E2E1A外对 Q 系 吸 或
Q吸E2E1A系对外
A,Q均为过程量. 对一无穷小过程:
dE A外对 系 Q 吸 或： Q吸dEpdV
这里 A外对系 pdV
理想气体
积分形式
V2
V2
Q吸 E2 E1 pdV E pdV
PV m RT M
PVNNAmmii NAkT
NA6.0 2120m 3 o 1 l
k R1.381023JK1 NA
P N kT V
Pnk. T
21.2 热力学第零定律
3
1、热平衡
在不受外界影响的条件下，两个物体（热力 学系统）相互传递能量（热传递），达到一 个共同的平衡态
热平衡是能量的平衡，不是物质数量的平衡
3) 功与热量的物理本质不同.
功：与外力作用下的宏观位移相联系的能量传递过程，是一
种宏观方式；
热量：由于各部分温度不同而发生的能量传递过程，是微
观的方式。
.
10
21.3.3 内能
系统内所有粒子各种能量的总和
在热力学领域，系统内所有分子热运动动能和分子间相互作用 势能的总和称为系统内能，用E表示。
内能是状态量。 通常 EE(T,V)
P-V
(P-T,V-T)
图中“曲线”表示准静态过程
.
0
.Ⅱ(p2V2T2)
V
2
三、理想气体的状态方程
系统的平衡态可以用几个宏观状态参量来描述，这些状态 参量满足一定的关系，该关系式称为状态方程。
理想气体物 态方程
pV m RT M
摩尔气体常量 R 8 .3 J 1 m 1 o K 1 l
理想气体状态方程另一种表达式： PnkT
V1
V1
E i RT
2
Q
+ 系统吸热
系统放热
E2 E1
内能增加 内能减少
A
系统对外界做功 外界对系统做功
.
13
积分形式
V2
V2
Q吸 E2 E1 pdV E p d V
V1
V1
热力学第一定律的另一种表达方式
第一类永动机是不可能实现的
第一类永动机：系统从初态出发，不断地经历状态变 化回到原初态，过程中不需外界提供能量，而能对外 不断做功的永动机。
6、热力学第三定律 热力学零度（绝对零度）不能达到。
.
(1) 常温、常压下的气体
PnkT 7
T300K P1atm 1.013 105P a
n P kT
1.318.0113023105300
2.451025/m 3
十亿亿亿
(2) 高真空 T273K P1015atm
n110.3185110.02133217035 2.691010/m 3