热力学第一定律及其应用
热力学定律及其应用
热力学定律及其应用热力学是物理学的一个分支，主要研究热现象和能量转换。
在热力学中，有三个重要的定律，分别是热力学第一定律、第二定律和第三定律。
本文将结合实际应用，介绍这些定律及其应用。
热力学第一定律热力学第一定律，也称能量守恒定律，“能量不灭，只能转化形式或转移到别处”。
意思是一个热力学系统的内部能量可被转化为机械运动的能量（功）或热能的形式，但它总量不能减少或增加。
即内能∆U等于所吸收的热Q减去所做的功W：∆U=Q-W。
在实际应用中，能量守恒定律可应用于化学、机械、热力等方面。
例如，当物体受到外力作用时，会发生位移，形成机械功；而当物体处于高温环境中时，则会吸收热能。
如果将一个物体用空气冷却，从而使其内部能量下降，也就是减少了物体吸收的热，这时物体将会释放热能。
因此，热力学第一定律对于理解物体能量转换的原理非常重要。
热力学第二定律热力学第二定律，也称热力学不可逆性原理，“自然现象都会趋向于无序化或熵增加，不可能实现热量从低温体自动流向高温体”。
意思是物质经过一系列热力学变化后，熵（或无序性）不断增加，使得过程变得不可逆。
因此，热力学第二定律提出了一个不能逆转的过程，也就是热量不能自动流向温度更低的物体。
在实际应用中，热力学第二定律主要用于解释自然界中的一些现象，如为什么我们的车子由暖和环境中的空气吹向上方的冷空气时，会发生雾。
因为热力学第二定律规定热量是从热到冷的传导方向。
在这种情况下，暖气流的热量被转移到了冷空气中，冷空气达到了露点温度，形成了水滴（雾）。
此外，热力学第二定律还可以用于研究热机的性能及运作。
热力学第三定律热力学第三定律是热力学中的一个基本定律，也称绝对零度定律，“任何物质的温度都不可能降低到绝对零度（-273.15°C）以下，也就是说，任何物质的总热能都不可能完全消失。
在此温度下，所有物质的分子和原子的动能都消失，无法再降温，同时熵也达到最小值。
”热力学第三定律对于研究物质热动力学特性时起着重要的作用，例如钻石的制备等工业进程中，热力学第三定律可用来评估物质的热容性能。
化工热力学第四章热力学第一定律及其应用课件
400
2.0
23.80J mol 1K 1
化工热力学 第四章 热力学第一定律及其应用
熵变为正值。对于绝热过程，环境没有熵变，因而孤立体系 熵变也为正值，这表明节流过程是不可逆的。此例说明，第三章 的普遍化关联法也可以应用于节流过程的计算。
化工热力学 第四章 热力学第一定律及其应用
例 4—3 300℃、4.5 MPa乙烯气流在透平机中绝热膨胀到 0.2MPa。试求绝热、可逆膨胀（即等熵膨胀）过程产出的轴功。 （a）用理想气体方程；（b）用普遍化关联法，计算乙烯的热
即：
能入 能出 能存
封闭体系非流动过程的热力学第一定律：
U Q W
化工热力学 第四章 热力学第一定律及其应用 第一节
§4-2 开系流动过程的能量平衡
开系的特点： ① 体系与环境有物质的交换。 ② 除有热功交换外，还包括物流输入和 输出携带能量。
开系的划分： ➢ 可以是化工生产中的一台或几台设备。 ➢ 可以是一个过程或几个过程。 ➢ 可以是一个化工厂。
化工热力学 第四章 热力学第一定律及其应用
例 4—2 丙烷气体在2MPa、400K时稳流经过某节流装置后 减压至0.1MPa。试求丙烷节流后的温度与节流过程的熵变。
[解] 对于等焓过程，式（3—48）可写成
H
CP T2 T1
H
R 2
H1R
0
化工热力学 第四章 热力学第一定律及其应用
已知终压为0.1MPa，假定此状态下丙烷为理想气体，
S
C* pms
ln T2 T1
R ln
P2 P1
S1R
因为温度变化很小 ，可以用
C* pms
C* pmh
92.734J
mol 1
热力学第一定律的表述方式及应用
热力学第一定律的表述方式及应用热力学第一定律是热力学中的基本定律之一，也被称为能量守恒定律。
它指出，在任何一个热力学系统中，系统的内能变化等于系统所吸收的热量与对外做的功的代数和。
这一定律为我们理解和描述热力学系统的行为提供了重要的理论依据。
一、热力学第一定律的表述方式热力学第一定律可以用以下三种方式进行表述：1. 微分形式在微分形式下，热力学第一定律可以表示为：[ = Q - W ]其中，( U ) 表示系统的内能，( Q ) 表示系统吸收的热量，( W ) 表示系统对外做的功。
2. 积分形式在积分形式下，热力学第一定律可以表示为：[ U = Q - W ]其中，( U ) 表示系统内能的变化量，( Q ) 表示系统吸收的热量，( W ) 表示系统对外做的功。
3. 宏观形式在宏观形式下，热力学第一定律可以表示为：[ _{i=1}^{n} i = {j=1}^{m} _j ]其中，( _i ) 表示系统从第 ( i ) 个热源吸收的热量，( _j ) 表示系统对外做第 ( j )项功。
二、热力学第一定律的应用热力学第一定律在工程、物理等领域有着广泛的应用，下面列举几个常见的应用实例：1. 热机效率的计算热机效率是指热机所做的功与吸收的热量之比。
根据热力学第一定律，热机所做的功等于吸收的热量减去内能的变化量。
因此，热机效率可以表示为：[ = ]2. 制冷机的性能分析制冷机的工作原理是利用工作物质在循环过程中吸收热量，从而实现低温环境的创造。
根据热力学第一定律，制冷机吸收的热量等于制冷量与制冷机压缩机所做的功之和。
因此，可以通过热力学第一定律来分析制冷机的性能。
3. 太阳能热水器的设计太阳能热水器利用太阳能将光能转化为热能，为用户提供热水。
根据热力学第一定律，太阳能热水器吸收的热量等于水温升高所吸收的热量与热水器损失的热量之和。
因此，在设计太阳能热水器时，需要考虑热量的损失，以提高热水器的效率。
4. 热传导过程的分析热传导是热量在物体内部由高温区向低温区传递的过程。
§7.2 热力学第一定律及其应用(打印稿)
§7. 2 热力学第一定律及其应用
2. 定压过程： 定压过程：p＝Const.
W = ∫ pdV = p(V2 −V1 )
V1
V2
p
=ν R(T2 −T1 )=ν R∆T ∆
1
2
∆ E =ν ⋅CV ,m∆T
Qp = ∆ E + W =ν (CV ,m + R)∆T o
V1
W
V
V2
=ν ⋅ Cp,m∆T
二、摩尔热容量的计算
1. 定体摩尔热容量 CV,m
1 (dQ) 而 dQ = dE + dW = dE+ pdV = 0 CV ,m = ν dT V
定体过程：V＝Const. 或 dV＝0 ： dV＝
∴
dQ= dE
CV ,m = 1 (dE)V ν dT dE =ν ⋅ i RdT 2
}
6·
CV ,m = 1 ⋅ν ⋅ i R 2 ν
转化为系统对外作的机械功。
即：系统吸收的热量一部分转化为系统内能，一部分 系统吸收的热量一部分转化为系统内能，一部分
10 ·
Chapter 7. 热力学基础
§7. 2 热力学第一定律及其应用
3. 等温过程： 等温过程：T＝Const.
p
pV =ν RT0= p1V1 = p2V2
1 2
W = ∫ pdV = ∫
1. 定体过程： 定体过程：V＝Const.
p
{
W=0
∆ E =ν ⋅ i R∆T =ν ⋅CV ,m∆T 2 Q = ∆E + W=ν ⋅ CV ,m∆T V
p
2
1
o
1
V
V2
注意
热力学第一定律的应用
热力学第一定律的应用热力学第一定律，也称为能量守恒定律，是热力学中的一个基本定律。
它表明，在封闭系统中，能量既不能创造也不能消失，只能从一个形式转化为另一个形式。
热力学第一定律的应用非常广泛，涵盖了许多领域，包括工程、化学、生物学等。
热力学第一定律可以用公式形式表示为：∆U = Q - W其中，∆U表示系统内能的变化，Q表示系统所吸收或放出的热量，W表示由外界对系统做的功。
根据正负号的不同，∆U可以表示系统的吸热过程还是放热过程。
在工程领域，热力学第一定律的应用广泛存在于热力系统、发动机和制冷设备等方面。
例如，在热力系统中，热力学第一定律用于分析系统的能源转化和效率。
通过对热力系统中各个组件的热损失和能量传递进行分析，可以评估系统的能量利用效率，并提出改进方案，实现能源的高效利用。
在发动机领域，热力学第一定律被用于分析内燃机的工作原理和能量转化过程。
发动机的工作过程可以看作是燃料能量转化为机械能的过程，而热力学第一定律可用于衡量这一能量转化的效率。
通过对燃烧过程、热量传递和功的关系进行分析，可以评估发动机的燃烧效率和功率输出，并提出改进方案，提高发动机的性能。
在制冷设备领域，热力学第一定律被用于分析冷凝器和蒸发器等组件的能量转化过程。
制冷设备的工作原理可以简单地描述为从低温区域吸热，然后将热量释放到高温区域。
热力学第一定律可用于分析这一过程中热量的传递和功的消耗，并评估制冷系统的制冷效果和能量消耗。
通过优化制冷设备的设计和运行参数，可以提高系统的制冷效率和节能性能。
此外，热力学第一定律还可应用于化学领域，如在燃烧反应和化学热力学中。
通过热化学方程式的平衡，可以利用热力学第一定律计算反应的焓变和反应热，从而了解化学反应的能量变化和方向。
这对于工业生产和环境保护都具有重要意义。
总之，热力学第一定律的应用非常广泛，几乎遍及各个领域。
通过对能量的转化和转移进行分析，这一定律使我们能够更好地理解和优化能量系统，并实现能源的高效利用。
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
热力学第一定律的实际运用
热力学第一定律，又称热力学第一定律原理或热力学第一定律定理，是热力学的基本定理之一。
它指出：在任意一个过程中，物质的总热力量Q和总功率W之和是定值，即Q+W=定值。
热力学第一定律的实际运用广泛，可以用来解决各种热力学问题。
下面给出几个具体的例子。
制冷机的工作原理：制冷机是利用制冷剂的汽化-冷凝-膨胀过程来进行冷却的。
制冷剂从低压汽化到高压气体的过程中，汽化所吸收的热量就是制冷机所发出的冷量。
这个过程可以看作是制冷机消耗的功率W，对应的热力学第一定律式为Q+W=定值。
热水器的工作原理：热水器是利用电能将水加热的。
电能转化成热能的过程可以看作是热水器消耗的功率W，加热水所吸收的热量就是热水器发出的热量Q。
这个过程可以用热力学第一定律来表示，即Q+W=定值。
汽车发动机的工作原理：汽车发动机是利用燃料的燃烧来产生动力的。
燃料的燃烧过程中，消耗的燃料质量就是汽车发动机的功率W，燃烧所释放的热量就是汽车发动机发出的热量Q。
这个过程可以用热力学第一定律来表示，即Q+W=定值。
光伏发电的工作原理：光伏发电是利用光能转化成电能的过程。
光能转化成电能的过程可以看作是光伏发电的功率W，光伏发电所产生的电能就是光伏发电发出的热量Q。
这个过程可以用热力学第一定律来表示，即Q+W=定值。
以上就是热力学第一定律的几个具体运用例子。
可以看出，热力学第一定律是一个非常重要的定理，在各种热力学过程中都有着广泛的应用。
大学物理5.2 热力学第一定律及其应用
又 dW = − dE
∴ dW = PdV = − 而 PdV + VdP =
dE =
M
M
µ
CV dT
(1) ( 2)
µ µ
CV dT RdT
M
由 （ 2） 得
dT = ( PdV + VdP )
µ
M R
代入(1)得 代入(
M µ PdV =－ CV ( PdV + VdP ) MR µ
PRdV =－CV ( PdV + VdP )
W = − ∫ dE = − ( E2 − E1 )
E1
E2
上式表明， 上式表明，在 绝热过程中， 绝热过程中，系统 对外做功完全依靠 自身热力学能的减 少.
p p1 p2 0
V1
绝热线
Ι
ΙΙ
V2
等温线
V
∵ E 2 − E1 =
∴ W =− M
M
µ
CV (T2 − T1 )
µ
CV (T2 − T1 )
3. 等温过程 温度保持不变的过程叫做等温过程 等温过程. 温度保持不变的过程叫做等温过程
∵ dT = 0 ∴ dE = 0
（热力学能只取决 于温度） 于温度）
p p1 p p2 0
Ι
∴ dQT = PdV M 1 又P＝ RT µ V
ΙΙ
V1 dV V2 V
dV RT ∴ W = ∫ PdV = ∫ V1 V1 µ V M V2 V2 RT ln = P1V1 ln = µ V1 V1
e a
d
V
沿曲线bea返回到状态 （2）当系统从状态 沿曲线 返回到状态 ）当系统从状态b沿曲线 返回到状态a 外界对系统做功84J ，问系统是吸热还是放 时，外界对系统做功 热？传递了多少热量？ 传递了多少热量？
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。
热力学第一定律的实际应用
热力学第一定律的实际应用热力学是物理学中研究热现象的分支学科，而热力学第一定律是各分支学科中最基本的一条定律，被称为能量守恒定律。
它的表述是：“能量不能创造和消灭，只能转化或从一个物体转移至另一个物体。
”热力学第一定律在实际应用中有着广泛的应用，下面将从能源转化、工业生产和环保领域等方面展开阐述。
一、能源转化能源转化是指将一种形式的能源转化为另一种形式的过程。
这是一个非常广泛的问题，涉及许多领域的产业，如石油、天然气、水电、核电等等。
通过热力学第一定律，我们可以控制转化的效率，避免能源的浪费。
以汽车为例，我们可以将汽油燃烧转化为动能，但是在转化的过程中会产生大量的热能，如果能够利用这部分热能，并将其转化为动能，那么汽车的效率将会更高，同时也会减少能源的浪费与环境的污染。
二、工业生产工业生产是热力学第一定律的另一个实际应用领域。
在生产过程中，需要消耗大量的能源并产生大量的热能，如果没有对热能进行回收利用，将导致能源的浪费和环境的污染。
因此，在工业生产中，热力学第一定律有着非常重要的作用。
例如，许多化工厂需要通过化学反应来制造化学品，化学反应的过程会产生大量的热能，而其中一部分热能可以被回收利用，以供给其他生产过程所需的热能。
这样不仅可以提高生产效率，还可以减少能源的浪费和环境的污染。
三、环保领域环保领域是热力学第一定律的另一个重要应用领域。
科学家们已经发现，热能的利用和回收可以帮助缓解一些环境问题，比如温室效应和大气污染。
这是因为将废气中的热能回收利用，减少烟气的排放，从而减少了环境中的污染和排放。
同时，废热的回收也可以减少对环境的负担，并为其他需要热能的生产过程提供热能。
因此，在环保领域，热力学第一定律也有着非常广泛的应用。
总之，热力学第一定律作为能量守恒定律，在现实生活中有着非常广泛的应用。
它的应用涉及到了能源转化、工业生产和环保领域等多个方面，在实际生产和科研中具有重要意义。
因此，我们在进行科学研究和创新发展的过程中，也需要积极应用和发扬热力学第一定律的精神，以实现可持续发展和生态环保的目标。
热学热力学第一定律和第二定律
热学热力学第一定律和第二定律在热学和热力学领域中，有两个重要的定律，即第一定律和第二定律。
这两个定律是基础性的原理，被广泛应用于能量转化和热力学系统的研究中。
本文将分别介绍热学热力学的第一定律和第二定律，并探讨它们的应用。
一、热学热力学第一定律热学热力学的第一定律，也被称为能量守恒原理，它表达了能量的守恒性质。
根据第一定律，能量在系统中的增加等于能量的输入减去能量的输出。
换句话说，能量不能被创造或毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
第一定律的数学表达式为：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内部能量的变化，Q表示系统吸收的热量，W 表示系统对外做的功。
如果ΔU为正值，代表系统内部能量增加；如果ΔU为负值，则代表系统内部能量减少。
根据第一定律，系统内的能量转化是通过热量和功的交换来实现的。
第一定律的应用非常广泛，可以用于解释许多物理和化学现象。
例如，在能量转化装置中，我们可以根据第一定律来计算输入和输出之间的能量差异，从而评估系统的能效。
此外，热力学中的一些重要概念，如内能、焓和熵，也是通过第一定律得出的。
二、热学热力学第二定律热学热力学的第二定律是关于热力学过程方向性的规律。
它指出自然界中存在一种趋势，即热量不能从低温物体传递到高温物体，除非外界做功。
这个原则被称为热力学第二定律。
第二定律有多种表达形式，其中最常见的表述是开尔文表述和克劳修斯表述。
开尔文表述简要地表达了热量自流向高温物体的趋势，而克劳修斯表述则通过热力学温标引入了熵的概念，更深入地解释了热力学第二定律。
根据热力学第二定律，热量无法完全转化为功，总是会有一部分热量以无法利用的形式散失。
这个过程被称为热力学不可逆过程。
热力学第二定律对于解释自然界中的许多现象非常重要，例如热机效率的限制、热传导的方向性以及自发反应的进行方向等等。
总结：热学和热力学的第一定律和第二定律是能量和热力学过程研究中的基础原理。
第一定律规定了能量在系统内部转化的性质，而第二定律则限制了热量的传递方式。
热力学第一定律及其应用
热力学第一定律及其应用
热力学第一定律是物理学中最基本的定律之一，它指出“热力学系统在任何过程中，总能量保持不变”。
它的定义是：“热力学系统在任何物理或化学过程中，总能量保持不变”。
热力学第一定律的应用：
1、热力学第一定律可以用来解释热力学过程中物质的能量变化。
比如，热力学第一定律可以用来解释热力学过程中物质的温度、压强、容量等变化，以及物质的状态变化，比如固态、液态和气态。
2、热力学第一定律可以用来计算热力学过程中物质的能量变化，从而计算物质的热力学性质，比如热容量、熵和比热等。
3、热力学第一定律可以用来计算物质的热力学变化，比如汽液平衡、相变等。
4、热力学第一定律可以用来计算物质的反应化学能，从而可以计算反应的活化能、反应速率等。
8.1热力学第一定律及其应用
c a b
d
V1 2V1
V
Ta Td
又根据物态方程
p1V1 Td Ta R
M pV RT M mol
p pcVc 4 p1V1 Tc 4Ta R R 2p1 1 1 再根据绝热方程 TcVc TdVd
Tc Vd ( ) Vc 4 .2V1 16V1 Td （2）先求各分过程的功
dQ 0
pdV M
pV
M RT
CV dT
M pdV Vdp RdT
联立消去dT
dp dV 0 p V
( CV R ) pdV CVVdp
pV 恒量
pV 恒量
M pV RT
V 1T 恒量 p 1T 恒量
绝热线与等温线比较
等温
p
pA
PS
PT
pV C
A
等温线
pdV Vdp 0 p dp V dV T
绝热
pV C
1
o
V
绝 热线
pV
V dp 0
p dp V dV S
dp dV S
P
例、一定质量的理想气体从 P-V 图中的初态 A 经历如图所示的（1）或（2）过程到达末态 B，
TA ，则这两个过程中气体吸收的热量 TB Q1 Q2 Q1 和 Q2的关系是_______________
已知
p
A
( 2)
(1)
B
O
V
例、如图所示， AB 、 DC 为绝热线， COA 为等
M i QP W E ( R R)T 2 QP i i2 CP RR R CV R M / T 2 2 M QP CP (T2 T1 )
第六章热力学第一定律-及其应用
因此可逆绝热稳流过程为等熵过程。
5）柏努利方程
不可压缩的流体在管道中的流动，若假设流体无粘性（无阻力，无摩 擦），并且管道保温良好，流动过程中流体环境无热、无轴功的交换。
p
1 2 g z u 0 2
(6-10)
例 6-1～例 6-5
§6.2 热力学第二定律及其应用
第二定律的典型表述： ⑴、有关热流方向的表述 ： 1850年克劳休斯： 热不可能自动的从低温物体传给 高温物体。 ⑵、有关循环过程的表述 ： 1851年开尔文： 不可能从单一热源使之完全变成有 用功，而不引起其他变化。
WS ( R) QH QL
由热力学第二定律： 可逆过程： (S sys
S sur ) 0
循环过程： 则：
S sys 0
Ssur S高温源 S低温源
S 低温源 QL TL
QH 可逆： S 高温源 TH
S sur
Q H QL 0 TH TL
T
Q 0
dSt 0
——熵增原理
若将系统和环境看作一个大系统，则： 由 St (Ssys Ssur ) 0 可知：
即孤立体系永远不会发生熵减少的过程。
1、有热量传递不做功 两个热源之间热传递过程如下图所示：
热源
T1
TH
高温源
Q1
循环 装置
T1 T2
QH
循环 装置
WS ( R ) 功
S f S g mi si m j s j i j in out
进入物流 流出物流
物流熵差
过程不可逆引起的熵变
敞开系统熵平衡式即为：
dSopsys dt
热力学第一定律及其工程应用课件
T Ti,max
Joule－Thomson效应
J
T p
H
T
V T p
cp
V
图图图图图图
图图图图
图图图图
理想气体节流前后温度不变 Ti,min
实际气体节流前后温度有三
p
pi,max p
种变化可能
热力学第一定律及其工程应用图 6-6 图 图 图 图 图 图 图 图 1图6
6.3.4 等熵膨胀 高压气体在膨胀机中作绝热膨胀，同时对外作 功，若过程可逆，则为等熵膨胀
单位质量流体：h1u2 0
2
应用实例：喷管(喷嘴)、扩压管
对节流过程：流体流速无明显变化
H0 节流过程为等焓过程
热力学第一定律及其工程应用
7
➢与环境间有大量热，功交换的过程 特征：系统的动能、位能变化与功，热量相比很小
u20,gZ0
HQWs
对蒸发，冷却等换热过程，不存在轴功,则有
H Q
应用实例：
气体的压缩、膨胀、换热器、吸收、解吸等。
热力学第一定律及其工程应用
8
例6.1某厂用功率为2.4 k W 的泵将90℃水从贮水罐压到换热器，水 流量为3.2 k g s 1 。在换热器中以720 kJ s1 的速率将水冷却，冷却 后水送入比第一贮水罐高20m的第二贮水罐，如图所示。求送入第
二贮水罐的水温，设水的比恒压热容 cp4.184kJkg1 C1。
解：
t2 ?
第二贮水罐
换热器
20m
Q=720kJ s1
Ws 2.4kW
水泵
图 热6-力2学第图一6定.律1 及图其图工程应用
t1 90 C u1 =3.2kg
s1
第一贮水罐
高中化学 热力学第一定律及其应用课件
§ 2.1 热力学概论
热力学方法和局限性 •热力学方法是一种演绎的方法，结合经验所 得的基本定律进行演绎推理，指明宏观对象的 性质、变化方向和限度。 •研究对象是大数量分子的集合体，研究宏观 性质，所得结论具有统计意义。
•只考虑平衡问题，考虑变化前后的净结果， 但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。
与变化的途径无关。
具有这种特性的物理量称为状态函数 状态函数的特性可描述为： 异途同归，值变相等；
周而复始，数值还原。
状态函数在数学上具有全微分的性质。
状态方程（equation of state） 系统状态函数之间的定量关系式称为状态方程 对于一定量的单组分均匀系统，状态函数 p, V，T 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：
热力学的基本内容
•研究宏观系统的热与其他形式能量之间的相互 转换关系及其转换过程中所遵循的规律；
•热力学共有四个基本定律：第零、第一、第二、 第三定律，都是人类经验的总结。第一、第二定 律是热力学的主要基础。 •化学热力学是用热力学基本原理研究化学现象 和相关的物理现象
•根据第一定律计算变化过程中的能量变化，根 据第二定律判断变化的方向和限度。
§ 2.1 热力学概论
热力学方法和局限性 局限性 不知道反应的机理和反应速率
不研究系统的宏观性质与微观结构之间的关系
可以指出进行实验和改进工作的方向，讨 论变化的可能性，但无法指出如何将可能性变 为现实的方法和途径
温度的概念 将A和B用绝热壁隔开，而让A和B 分别与C达成 热平衡。
C
A
绝热
C
B
导热
热力学第一定律及其应用
§10.4热力学第一定律一、功 热量 内能 1、系统的内能热力学系统：热力学的研究对象；外界：与系统发生作用的环境。
1）系统的内能：指与热运动有关的能量，包括所有分子无规则运动动能与相互作用势能。
一般气体(,)E E T V = ；对理想气体()E E T =2i vR T =注意：内能无论是T 、V 的函数还是T 的单值函数，都只与状态有关，是状态量。
2）改变内能的方式：做功和热传递做功和热传递在改变系统状态方面具有等效性，但两者有本质的区别：做功：通过物体发生宏观位移完成，实现的是分子的有规则运动能量和分子的无规则运动能量的转化物，从而改变内能。
如活塞压缩汽缸内的气体使其温度升高。
传热：通过分子间相互作用完成，实现的是外界分子无规则热运动与系统内分子无规则热运动之间的转换，从而改变了内能。
⇔无规则运动无规则运动2、功A在热学中，常见的是准静态过程中与系统体积变化相关的功： 微元功：dA F dl P Sdl P dV === 某个过程中,则系统对外做功：21V V A dA PdV==⎰⎰理解：⑴几何意义：功在数值上等于p~V 图上过程曲线下的面积⑵不仅与始末二状态有关，且还与过程有关→功为过程量。
⑶规定：0A >——系统对外界作正功；0A <——系统对外界作负功（外界对系统作功）。
3、热量Q ：热传递过程中所传递的热运动能量的多少。
规定：Q ＞0表示系统从外界吸热（外界向系统传热）， Q ＜0表示系统向外界放热（外界从系统吸热）。
注意：过程不同，系统吸收或放出的热量也不同，因此热量也是过程量。
二、热力学第一定律1、内容：系统从外界吸收的热量，部分用于增加系统的内能，部分用于系统对外作功。
数学表达式为21()Q E A E E A =∆+=-+ 微元过程 dQ dE dA =+. 说明：1）本质：是包括热现象在内的能量守恒定律。
也可表述为：第一类永动机是不可能造成的。
热力学第一定律在生活的应用例子
一、
热一说的是能量守恒,能量不会凭空消失,而是从一种能量转换为另一种能量.生活中最常见的就是电能转化为机械能和热能的.比如热水袋
二、
热力学第一定律在现实生活中广泛的应用在飞机、轮船、汽油机、柴油机等热机上热力学第一定律：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,这个关系叫热力学第一定律.它表达了生活中改变内能的两种方式,同时也定量的说明了他们之间的关系.实际应用：广泛的应用在飞机、轮船、汽油机、柴油机等热机上。
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热力学第一定律及其应用§2. 1热力学概论热力学的基本内容热力学是研究热功转换过程所遵循的规律的科学。
它包含系统变化所引起的物理量的变化或当物理量变化时系统的变化。
热力学研究问题的基础是四个经验定律（热力学第一定律，第二定律和第三定律，还有热力学第零定律），其中热力学第三定律是实验事实的推论。
这些定律是人们经过大量的实验归纳和总结出来的，具有不可争辩的事实根据，在一定程度上是绝对可靠的。
热力学的研究在解决化学研究中所遇到的实际问题时是非常重要的，在生产和科研中发挥着重要的作用。
如一个系统的变化的方向和变化所能达的限度等。
热力学研究方法和局限性研究方法：热力学的研究方法是一种演绎推理的方法，它通过对研究的系统（所研究的对象）在转化过程中热和功的关系的分析，用热力学定律来判断该转变是否进行以及进行的程度。
特点：首先，热力学研究的结论是绝对可靠的，它所进行推理的依据是实验总结的热力学定律，没有任何假想的成分。
另外，热力学在研究问题的时，只是从系统变化过程的热功关系入手，以热力学定律作为标准，从而对系统变化过程的方向和限度做出判断。
不考虑系统在转化过程中，物质微粒是什么和到底发生了什么变化。
局限性：不能回答系统的转化和物质微粒的特性之间的关系，即不能对系统变化的具体过程和细节做出判断。
只能预示过程进行的可能性，但不能解决过程的现实性，即不能预言过程的时间性问题。
§2. 2热平衡和热力学第零定律－温度的概念为了给热力学所研究的对象－系统的热冷程度确定一个严格概念，需要定义温度。
温度概念的建立以及温度的测定都是以热平衡现象为基础。
一个不受外界影响的系统，最终会达到热平衡，宏观上不再变化，可以用一个状态参量来描述它。
当把两个系统已达平衡的系统接触，并使它们用可以导热的壁接触，则这两个系统之间在达到热平衡时，两个系统的这一状态参量也应该相等。
这个状态参量就称为温度。
那么如何确定一个系统的温度呢？热力学第零定律指出：如果两个系统分别和处于平衡的第三个系统达成热平衡，则这两个系统也彼此也处于热平衡。
热力学第零定律是是确定系统温度和测定系统温度的基础，虽然它发现迟于热力学第一、二定律，但由于逻辑的关系，应排在它们的前边，所以称为热力学第零定律。
温度的科学定义是由热力学第零定律导出的，当两个系统接触时，描写系统的性质的状态函数将自动调节变化，直到两个系统都达到平衡，这就意味着两个系统有一个共同的物理性质，这个性质就是“温度”。
热力学第零定律的实质是指出了温度这个状态函数的存在，它非但给出了温度的概念，而且还为系统的温度的测定提供了依据。
§2. 3热力学的一些基本概念系统与环境系统：物理化学中把所研究的对象称为系统环境：和系统有关的以外的部分称为环境。
根据系统与环境的关系，可以将系统分为三类：（1）孤立系统：系统和环境之间无物质和能量交换者。
（2）封闭系统：系统和环境之间无物质交换，但有能量交换者。
（3）敞开系统：系统和环境之间既有物质交换，又有能量交换系统的性质系统的状态可以用它的可观测的宏观性质来描述。
这些性质称为系统的性质，系统的性质可以分为两类：（1）广度性质（或容量性质）其数值与系统的量成正比，具有加和性，整个体系的广度性质是系统中各部分这种性质的总和。
如体积，质量，热力学能等。
（2）强度性质其数值决定于体系自身的特性，不具有加和性。
如温度，压力，密度等。
通常系统的一个广度性质除以系统中总的物质的量或质量之后得到一个强度性质。
热力学平衡态当系统的各种性质不随时间变化时，则系统就处于热力学的平衡态，所谓热力学的平衡，应包括如下的平衡。
（1） 热平衡：系统的各部分的温度相等。
（2） 力学平衡：系统的各部分压力相等。
（3） 相平衡：当系统不上一个相时，物质在各相之间的分配达到平衡，在相的之间没有净的物质的转移。
（4） 化学平衡：当系统中存在化学反应时，达到平衡后，系统的组成不随时间变化。
状态函数当系统处于一定的状态时，系统中的各种性质都有确定的数值，但系统的这些性质并不都是独立的，它们之间存在着某种数学关系（状态方程）。
通常，只要确定系统的少数几个性质，其它的性质就随之而这定。
这样，系统体系的性质就可以表示成系统的其它的性质的函数，即系统的性质由其状态而定，所以系统的性也称为状态函数。
如()系统的状态系统的性质f =当系统处于一定的状态时，系统的性质只决定于所处的状态，而于过去的历史无关，若外界的条件变化时，它的一系列性质也随之发生变化，系统的性质的改变时只决定于始态与终态，而与变化所经历的途径无关。
这种状态函数的特性在数学上具有全微分的特性，可以按照全微分的关系来处理。
状态方程描述系统性质关系的数学方程式称为状态方程式。
状态方程式的获得：系统的状态方程不以由热力学理论导出，必须通过实验来测定。
在统计热力学中，可以通过对系统中粒子之间相互作用的情况进行某种假设，推导出状态方程。
描述一个系统的状态所需要的独立变数的数目随系统的特点而定，又随着考虑问题目的复杂程度的不同而不同。
一般情况下，对于一个组成不变的均相封闭系统，需要两个独立变数可以确定系统的状态，如理想气体的状态方程可以写成()V p f T ,=（1）对于由于化学变化、相变化等会引起系统或各相的组成发生变化的系统，还必须指明各相的组成或整个系统的组成，决定系统的状态所需的性质的数目就会相应增加。
如对于敞开系统，系统的状态可以写成 ,,,,21n n V p 的函数。
() ,,,,21n n V p f T =（2）过程与途径过程：在一定的环境条件下，系统发生了一个状态变化，从一个状态变化到另一个状态，我们称系统发生了一个热力学过程，简称过程。
途径：系统变化所经历的具体路径称为途径。
常见的变化过程有：（1） 等温过程 系统从状态1变化到状态2，在变化过程中温度保持不变，始态温度等于终态温度，且等于环境温度。
（2） 等压过程 系统从状态1变化到状态2，在变化过程中压力保持不变，始态压力等于终态压力，且等于环境压力。
（3） 等容过程 系统从状态1变化到状态2，在变化过程中体积保持不变。
（4） 绝热过程 系统在变化过程中，与环境不交换热量，这个过程称为绝热过程。
如系统和环境之间有用绝热壁隔开，或变化过程太快，来不及和环境交换热量的过程，可近似看作绝热过程。
（5） 环状过程 系统从始态出发，经过一系列的变化过程，回到原来的状态称为环状过程。
系统经历此过程，所有性质的改变量都等于零。
热和功热：热力学中，把由于系统和环境间温度的不同而在它们之间传递的能量称为热（Q ）。
（符号的约定：系统吸热为正）热（量）与系统的热冷的概念不同。
在热力学中，除热以外，系统与环境间以其它的形式传递的能量称为功（W ）（符号的规定：给系统做功为正）。
热和功不是状态函数，它的大小和过程有关，其微小量用符号“δ”表示。
有各种形式的功：体积功，电功，表面功，辐射功等。
功可以分为体积功和非体积功。
各种功的微小量可以表示为环境对系统施加影响的一个强度性质与其共轭的广度性质的微变量的乘积。
如功的计算式可以表示为：()f e W W Zdz Ydy Xdx dV p W δδδ+=+++= 外 （3）上式中 ,,,,Z Y X p 外表示环境对系统施加的影响的强度性质，而 dz dy dx dV ,,,则表示其共轭的广度性质的微变。
热和功的单位：焦（J ）§2.4 热力学第一定律经过大量的实验证明：确立了能量守恒与转化定律。
热力学第一定律就是包括热量在内的能量守恒与转化定律：热力学第一定律可以表述为：自然界的一切物质都具有能量，能量有各种形式，并且可以从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中，能量的总量不变。
能常体系的总能量由下列三部分组成：（1） 系统整体运动的能量（T ）。
（2） 系统在外力场中的位能（V ）。
（3） 热力学能（U ）。
在研究静止的系统时（T = 0），如不考虑外力场的作用（V = 0），此时系统的总能量为热力学能。
系统的热力学能包括了系统中各种运动形式所具有的能量（粒子的平动能，转动能，振动能，电子能，核能……，以及分子之间的位能等）。
当系统和环境交换能量时，系统的热力学能就要发生变化WQ U U U +=-=∆12（4）如果系统发生了一个微小的变化，则有W Q dU δδ+=（5）上边两个式子称为热力学第一定律的数学表达式。
也可以用另一种文字方式表达热力学第一定律：热力学第一定律的文字表述：要想制造一种永动机，它既不依靠外界供给能量，本身的能量也不减少，却不断地对外做功，这是不可能的。
热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是不可能造成的。
关于热力学能的说明： 系统的热力学能包括了系统中的各种粒子运动形式的能量，由于系统中的粒子无限可分，运动形式无穷无尽，所以系统的热力学能的数值也无法知道。
系统中热力学能的变化量可以通过变化过程中的Q 和W 来确定。
系统的热力学能是状态函数（证明）：设：系统经途径Ⅰ从B A →，热力学能变化为ⅠU ∆，经途径Ⅱ从B A →，热力学能的变化为ⅡU ∆，假设热力学能不是状态函数，ⅡⅠU U ∆≠∆。
如果使途径Ⅱ改变方向，从A B →，则该过程的热力学能的变化为ⅡU ∆-。
如系统两个变化过程组合成一个循环，A B A ⅡⅠ−→−−→−，则经过这个循环回到原来的状态，系统的热力学能将发生变化ⅡⅠU U ∆-∆，环境同样获得能量)(ⅡⅠU U ∆-∆-，即能量可以生成，第一类永动相可以制成。
这个结论不符合热力学第一定律，所以只有ⅡⅠU U ∆=∆。
∴系统的热力学能的改变量只与始终态有关，而和路径无关，所以系统的热力学能为一状态函数。
系统的热力学能可以表示为 ),,(n P T f U =dp p U dT T U dU T p ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂= （6）如果把热力学能看作是T ，V 的函数 ),,(n V T f U =dp V U dT T U dU T V ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=显然 V p T U T U ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂≠⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂§2.5 准静态过程与可逆过程功与过程和热力学能不同，环境对系统所做功的量和系统变化所经历的途经有关。
以图2．2为例来说明做功的过程dV p Adl p dl f W e e -=-=-=外δ （为外压）系统中的气体可以由不同的过程从21V V →，过程不同，环境做功也不相同。
1．自由膨胀 0,01,==e e W p2．外压始终维持恒定 ()122,V V p W e e --=3．多次等外压膨胀 ()12213,'V V V p V p W e e e -∆-∆-=4．无限多次的等外压膨胀124,ln V V nRT dV p W e e -=-=⎰以上的例子说明，功和途径有关由于W Q U -=∆，所以Q 也和途径有关。