1热力学第一定律及其应用(精)
胶体化学第一章
1. 热力学第一定律及其应用
则有
同理可得
U ( )T 0 V U ( )T 0 p
（1.3.4）
（1.3.5）
理想气体的热力学能仅是温度的函数。并可推 知理想气体的焓也仅是温度的函数。
理 想 气 体
U ) 0 ( U ) 0 ( P T V T H ) 0 H ( ( )T 0 V T p
U U (T )
H H (T )
1. 热力学第一定律及其应用
1.4 热容 1.4.1 热容 均相、组成不变且只做体积功的封闭体系， 温度升高1K所吸收的热称为热容，用符号C表 示。热容的单位为J· -1。热容是广度性质。 K
(1) 平均热容
(2) 真热容
Q C T2 T1
C
Q
dT
W3 p (V V1 ) p (V V ) p2 (V2 V )
' ''
所作的功等于3次分步膨胀过程所作功的加和。
1. 热力学第一定律及其应用
多次恒外压膨胀过程与功
可见，外压差距越小，膨胀次数越多，做的功也越多。
1. 热力学第一定律及其应用
4. 外压与体系的压力差为dp的膨胀过程 （近似可逆膨胀过程）
ΔrHm,2= 2ΔrHm,1
对同一化学反应，ΔrHm和反应进度均与化学 反应计量方程式写法有关。
1. 热力学第一定律及其应用
1.6.3 热化学反应方程式
表示化学反应与反应热效应的方程式称为热化学反应方程式。 规定：压力为p=100kPa和温度为T的物质状 态为标准态。纯气体则是在p和温度T时并具有理 想气体性质的状态；凝聚体系则是处于p和温度T 时的纯液体或纯固体。 标准态没有规定温度，每个温度都有一个标准态。
第4章热力学第一定律及其应用
2)求状态2的 U 2 和 Q ： 2)求状态 求状态2 Q 忽略液体的体积： v2sv = 1V1 = 11000 = 254.8cm3 ⋅ g −1 = 2v1sv 忽略液体的体积：
2
m
z
2
×7.85
查表：（近似值） 查表：（近似值）P2 = 7.917×105 Pa ：（近似值
2 2
sv ∴U 2 = 2576.5J ⋅ g −1
sl sv sl U 2 = 718.33J ⋅ g −1 ∴U 2 = 1 (U 2 + U 2 ) = 1 ( 2576.5+ 718.33) = 1647.4 J ⋅ g −1
∴Q = 7.85 × (1647.4− 2595.3) = −7441J = −7.44KJ
“-”表示需从体系移出热量
4.1闭系非流动过程的能量平衡 4.1闭系非流动过程的能量平衡
热力学第一定律表达式为： 热力学第一定律表达式为： 式中： 式中： —物质内能的变化 —动能的变化， 动能的变化，
—位能的变化
∆u 2 g ∆Z ∆U + + = Q −W 2 gC gC
式中: 式中:
—由于系统与环境之间存在的温差而导致的 能量传递。 能量传递。 —由于系统的边界运动而导致的系统与环境 之间的能量传递。 之间的能量传递。 范围：适用于任何物质的可逆与不可逆过程。 范围：适用于任何物质的可逆与不可逆过程。
状态1 状态1： P1=15.54×105Pa 1 L =15.54× 饱和水蒸汽 mz 1)容器内蒸汽的质量 mz 和 U1 ： 1)容器内蒸汽的质量
状态2 状态2： 1 L
1 m汽 = m液 = mz 2
查水蒸汽表压力表（陈新志） 查水蒸汽表压力表（陈新志）P250： P1=15.54×105Pa 干饱和蒸汽 t1=20℃ =15.54× =20℃
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。
热力学第一定律应用
单原子分子
双原子分子 非线性多原子分子 (3) 实际气体 (4) 凝聚系统
CV ,m
3 2
R
5 CV ,m 2 R
CV，m = 3R
Cp, m-CV, m R
Cp, m CV, m
如He
如H2 ，O2 ，N2 如H2O (g)
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三、理想气体非绝热过程Q,W,U,H计算
1 恒温过程
H = n Cp，m ( T2 -T1 ) = …… = -9005 J
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五、热力学第一定律对实际气体应用
理想气体U、H只是T的函数，与p、V无关， 因为分子间无作用力，无位能。
实际气体分子间有作用力，p、V的变化影响U、H
1. 焦耳－汤姆逊实验
节流膨胀实验
恒定压力的气体， 经多孔塞膨胀， 使其为压力恒定的低压气体
(1) 恒温可逆
273 K 200 kPa
(2) 向真空 (3) 恒温恒外压
(4) 恒容降温
100 kPa
解 (1) 恒温可逆
U = H = 0
Q = -W (2) 向真空
nRT ln p2 8.314 273 ln 100 = 1573 J
p1
200
U = H = 0
Q =-W=0
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U = 0 H = 0 Q =-W
按不同过程计算W
2 非恒温过程 先求出终态温度 T2 H = nCp，m (T2－T1 ) U = nCV，m (T2－T1 ) Q = U-W
按不同过程计算W及Q
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三、理想气体非绝热过程Q,W,U,H计算
例 计算1mol单原子理想气体以下过程的Q、W、U、H
§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
第一章 热力学第一定律及其应用(1)
nBRT VB = P
VB nB = = yB V ∑nB
B
VB = yB ⋅ V
1-2 实际气体
• 一、实际气体对理想气体的偏差 真实气体只是在低压和高温下近似地服 从理想气体状态方程。实际气体对理想 气体的偏差，从理想气体假设的方面进 行解释。（分子体积，作用力，碰撞）
二、范德华方程式
例：在273。15K时，1mol 的Ne，O2，CO2进行实验， பைடு நூலகம்出不同压力下PV值，外推至P→0。
PV Ne 理想气体 O2 CO2 0 图1-1 PV-P关系 P
（PV）P→0=22.414 （L·atm ， 升·大气压） R=（PV）P→0 / T =22.414/273.15 = 0.082057 （L·atm·K-1·mol-1，升·大气压·开-1·摩尔-1） 又∵1atm=101325牛顿·米-2=101325帕（Pa） =1.01325×106达因·厘米-2 ∴ R=PV/T= （1.01325×106×22.414×103）/273.15 =8.3143×107尔格·开-1·摩尔-1 =8.3143 （焦耳·开-1·摩尔-1， J·K-1·mol-1） 又 1卡=4.1840焦耳 ∴ R=1.9872 卡·开-1·摩尔-1 =8.3143焦耳 开-1·摩尔-1 焦耳·开 摩尔 焦耳 = 0.082057升·大气压·开-1·摩尔-1
二、理想气体及其状态方程 1、理想气体微观模型 （1）分子本身体积为零。分子体积很小，忽略不计。 以“质点”处理。 （2）分子间无相互作用力。 （3）分子彼此间以及分子与器壁之间的碰撞完全是 弹性的。碰撞时没有能量消耗。 实际气体在低压，高温下，接近于理想气体。
综合低压下总结出来的三个基本实验 定律，可以得出理想气体P、V、T三个 变量之间的关系 PV=nRT n 表示气体的物质量（摩尔） R 为比例常数，通常称气体常数。 对一摩尔的气体，V/n可以表示为摩尔体 积Vm。 PVm=RT 大量的气体实验表明，R与气体的种 类无关。实际气体只有在P→0时才服从 它。
热力学第一定律的内容及应用
目录摘要 (1)关键字 (1)Abstract: ......................................................................................... 错误!未定义书签。
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引言 (1)1．热力学第一定律的产生 (1)1.1历史渊源与科学背景 (1)1.2热力学第一定律的建立过程 (2)2.热力学第一定律的表述 (3)2.1热力学第一定律的文字表述 (3)2.2数学表达式 (3)3.热力学第一定律的应用 (4)3.1焦耳实验 (4)3.2热机及其效率 (5)总结 (7)参考文献 (7)热力学第一定律的内容及应用摘要：热力学第一定律亦即能量转换与守恒定律，广泛地应用于各个学科领域。
本文回顾了其建立的背景及经过，它的准确的文字表述和数学表达式，及它在理想气体、热机的应用。
关键字：热力学第一定律；内能定理；焦耳定律；热机；热机效率引言在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造，因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。
在热力学第一定律提出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。
直至热力学第一定律发现后，第一类永动机的神话才不攻自破。
本文就这一伟大的应用于生产生活多方面的定律的建立过程、具体表述、及生活中的应用——热机，进行简单展开。
1．热力学第一定律的产生1.1历史渊源与科学背景人类使用热能为自己服务有着悠久的历史,火的发明和利用是人类支配自然力的伟大开端,是人类文明进步的里程碑。
中国古代就对火热的本性进行了探讨,殷商时期形成的“五行说”——金、木、水、火、土,就把火热看成是构成宇宙万物的五种元素之一。
热力学第一定律
第一章热力学第一定律及其应用第一节热力学概论一、热力学的目的和内容目的：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。
广义的说，热力学是研究体系宏观性质变化之间的关系，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。
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. 利用热力学第一定律解决化学变化的热效应问题。
2. 利用热力学第二律解决指定的化学及物理变化实现的可能性、方向和限度问题，以及相平衡、化学平衡问题。
3. 利用热力学第三律可以从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方法：以热力学第一定律和第二定律为基础，经过严谨的推导，找出物质的一些宏观性质，根据物质进行的过程前后某些宏观性质的变化，分析研究这些过程的能量关系和自动进行的方向、限度。
由于它所研究的对象是大数量分子的集合体，因此，所得结论具有统计性，不适合于个别分子、原子等微观粒子，可以说，此方法的特点就是不考虑物质的微观结构和反应机理，其特点就决定了它的优点和局限性。
局限性：1. 它只考虑平衡问题，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。
2. 它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。
尽管它有局限性，但仍为一种非常有用的理论工具。
热力学的基础内容分为两章，热力学第一定律和第二定律，在介绍两个定律之前，先介绍热力学的一些基本概念及术语。
三、热力学基本概念1. 体系与环境体系：用热力学方法研究问题时，首先要确定研究的对象，将所研究的一部分物质或空间，从其余的物质或空间中划分出来，这种划定的研究对象叫体系或系统(system)。
热力学第一定律及其应用
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。
热力学第一定律及其应用
第二章 热力学第一定律及其应用
§2.1 热力学基本概念 §2.2 热力学第一定律 §2.3 恒容热、恒压热，焓 §2.4 热容，恒容变温过程、恒压变温过程 §2.5 焦耳实验，理想气体的热力学能、焓 §2.6 气体可逆膨胀压缩过程，理想气体绝热 可逆过程方程式 §2.7 相变化过程→
第二章 热力学第一定律及其应用
热力学的研究内容、基础、特点及意义
研究内容： • 热力学研究的是物质变化所引起的热、功和其他 形式能量之间的相互转换及其转换过程中所遵 循的规律。 • 化学热力学就是将热力学的规律应用到化学中， 研究化学变化及与化学变化有关的物理变化的科 学。
热力学的研究内容、基础、特点及意义
热力学的基础：热力学第一、第二定律。
4 过程和途径
系统从某一状态变化到另一状态的经历，称为过程。 系统由始态到末态这一过程的具体步骤，称为途径。
描述一个过程包括系统的始末态和途径。
如：C+O2→CO2 C+O2→CO→CO2
按照系统内部物质变化的类型将过程分为三类：
单纯pVT变化、相变化和化学变化。
4 过程和途径
描述系统状态变化所经途径特征的常见过程： 恒温过程： （isothermal process) 变化过程中始终有Ｔ(系) = T(环) = 常数。
2.2410 J
3
功的计算举例
⑶ 分步膨胀：
W3 W3,a W3,b
p中间 p2 nRT(1 ) (1 ) p1 p中间
500 100 nRT1 1 2.95 kJ 500 1000
功的计算举例
⑷ 恒温可逆(p环= p±dp≈p)膨胀
环境对系统作功，W>0；系统对环境作功，W<0 。
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 )
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是热力学基本定律之一，它揭示了能量在系统中的守恒和转换规律。
在实际应用中，热力学第一定律被广泛应用于各个领域，如能源转换、热机、热力学循环等。
本文将以能源转换和热机为例，详细探讨热力学第一定律的应用。
一、能源转换中的热力学第一定律应用1. 电力生产中的热力学第一定律应用电力生产通常采用热能转变为电能的方式来实现。
在这个过程中，热力学第一定律起着至关重要的作用。
电力生产主要包括以下几个步骤：(1) 燃料燃烧：将化学能转化为热能；(2) 热能转化：利用热能驱动汽轮机或发电机组将热能转化为机械能；(3) 机械能转化：将机械能转化为电能。
在这一过程中，根据热力学第一定律的原理，能量守恒成立，即输入的热能等于输出的机械能和电能。
因此，通过热力学第一定律的应用，可以对能源转换效率进行评估和改进，提高电力生产的效率和可持续发展水平。
2. 化学反应中的热力学第一定律应用化学反应是一种能量变化的过程，其中往往伴随着热能的释放或吸收。
根据热力学第一定律的原理，化学反应中的能量守恒成立。
以燃烧反应为例，燃烧是一种氧化反应，它释放出大量的热能。
根据热力学第一定律，燃烧反应中释放的热能等于反应物所含的化学能减去生成物所含的化学能。
这一原理被广泛应用于能源的利用和化学工业中。
二、热机中的热力学第一定律应用热机是将热能转化为机械能的装置，如汽车发动机、蒸汽机、内燃机等。
热机的工作过程可以通过热力学第一定律进行描述和分析。
热机工作的基本原理是：热源提供的热量使工作物质发生膨胀，通过做功来完成对外界做功的过程。
根据热力学第一定律，输入的热量等于输出的做功和散失的热量。
以汽车发动机为例，发动机工作过程中，爆燃室内燃烧产生的热能使活塞做功，推动车辆前进。
根据热力学第一定律的应用，我们可以对发动机的热能利用率进行评估和改进，提高汽车的能效和动力性能。
三、热力学循环中的热力学第一定律应用热力学循环是热能转换为机械能的过程，如蒸汽动力循环和空气动力循环。
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
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。
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或
Q E 2 E1 PdV
v1
v2
5.1.4 理想气体的等体过程、等压过程 和等温过程
热力学第一定律可以应用于气体、液体 和固体系统，研究它们的变化过程．
1.2 理想气体的等体过程、等压过程 和等温过程
1. 等体过程
6
气体体积保持不变的过程叫做等体过程．
dQV dE
0
V1
V2
V
R(T2 T1 )
气体在等压过程中所吸收的热量一部分转 换为热力学能的增量,一部分转换为对外所做 的功．
3. 等温过程 温度保持不变的过程叫做等温过程．
W
V2 V1
8
V2 V2 PdV RT ln P 1V1 ln V1 V1
p p1 p p2 0 V1 dV
M
V2
等温线
V －1T＝恒量
T ＝恒量
V
5. 气体的摩尔热容 定 义 1K 所吸收（或放出）的热量． 1 . 等体摩尔热容
10
1 摩尔的某种物质温度升高(或降低)
设：1摩尔气体在等体过程中吸取热量dQV 温度升高dT dQV i 等体摩尔热容 CV dT 2 R
任意质量的理想气体的热力学能增量为： M dE CV dT
E 0
3. 热机效率和致冷系数
A. 热机效率
W Q1 Q2 Q2 1 Q1 Q1 Q1
15
T1 Q1 Q2
高温
W
低温
T2
B. 致冷系数
Q2 Q2 W Q1 Q2
T1 Q1 Q2
低温
高温
Q 1 :系统与高温热源热交换 Q 2:系统与低温热源热交换
T2
W
16
dE 0
m dE CV ,m dT M
绝 pV p V dW m C dT a V ,m 2 2 热 11 M
dQ 0
13
2
循环过程
2.1 2.2 循环过程 卡诺循环
卡诺循环
14
2.1
循环过程
1. 定义 系统经过一系列变化后又回到原来状态 的过程叫循环过程． p
2. 循环过程的特点 系统经过一个循环 后，热力学能无变化． 0 V
4
2. 对于系统状态的微小变化过程，热力学 第一定律可表示为．
dQ dE dW
如果所研究的系统是气体，则热力学第 一定律的数学表达式为:
Q E2 E1 PdV
V1 V2
第一类永动机是做不成的.
5
注意 功是过程量，其数值大小与过程有关， 只给定初态和末态并不能确定功的数值．
3. 两种说法的异同 克氏说法是指明热传导的不可逆性， 开氏说法是指明摩擦生热过程的不可逆性， 这两种说法实际上是等效的．
22
3.2
可逆过程与不可逆过程
1. 定义 某一系统经过某一过程，由状态（ 1 ） 变到状态（ 2）之后，如果能使体系和环境 完全复原（即体系回到原来状态，同时又消 除了原来过程对环境的影响），则原来的过 程就称为可逆过程；如果用任何方法都不能 使体系和环境完全复原，则称为不可逆过程.
2. 等压摩尔热容 设：1摩尔气体在等压过程中吸取热量dQP 温度升高 dT 等压摩尔热容
11
dQP i2 CP CV R R dT 2
理想气体的等压摩尔热容较等体摩尔热容 大一恒量R．
3. 比热容比
CP 2 i CV i
状态方程 等 体 等 压
气体做功
热量改变
1
第七章 热力学基础
主要内容:
1 热力学第一定律及其应用 2 循环过程 卡诺循环 3 热力学第二定律 4 熵，熵增加原理
2Leabharlann 1 热力学第一定律及其应用
1.1 热力学第一定律 1.2 理想气体的等体过程、等压过程 和等温过程
3
1. 热力学第一定律
1. 数学表达式
Q E2 E1 W
意 义 在状态变化的过程中，系统所吸收的 热量一部分使系统的热力学能增加，另一部 分用于对外做功．
12 内能变化
p1 p2 T1 T2 V1 V2 T1 T2
dWV 0
dWp pdV
m dQV CV ,m dT dE m CV ,m dT M M m dQ p C p ,m dT M m dE CV ,m dT M
m 1 等 pV p V m 1 RT dV dQT RT dV 1 1 2 2 dWT 温 M V M V
3.1 热力学第二定律
1. 开尔文表述
20
不可能创造一种循环动作的热机，只从 一个热源吸收热量，使之完全转变为有用功 而不引起其它变化． 2.克劳修斯表述
不可能把热从低温热物体转到高温物体 而不引起其它变化．
开氏说法的另一种表述： 第二类永动机是不可能造成的．
21
第二类永动机是一种能从单一热源吸热 并将所吸收的热全部变为功而无其它影响的 机器．它虽然不违返能量守恒定律，但永远 造不成．
Q2
V2
V
低温热源T2
V2 V3 V1 V4
Q2 T2 卡 1 1 Q1 T1
18
4. 结论
（1）要完成一个卡诺循环，必须有两个热源；
(T1 T2 )
（2）高温热源温度越高，低温热源温度越低，
热机效率越高；
（3）卡诺循环的效率总是小于1．
19
3
热力学第二定律
3.1 热力学第二定律 3.2 可逆过程与不可逆过程
V2 QT W P1V1 ln V1
在等温膨胀过程中，
理想气体所吸收的热量
全部转换为对外所做的
V2 V
功．
9
4. 理想气体的绝热过程 系统与外界无热量交换的过程叫绝热过程． 在绝热过程中 dQ 0
p p1 p2 0 ——理想气体的绝热方程
V1
绝热线
PV ＝C
P
－1 －
（恒量）
即 QV E2 E1
P P1 P2
等 体 线
在等体过程中， 系统从外界吸收的热 量全部用于增加系统 的热力学能；
V
0
V
7
2. 等压过程
p
等压线
气体压强保持不变 的过程叫等压过程．
p
dQP dE PdV QP E2 E1 P (V2 V1 )
QP E2 E1 M
2.2
卡诺循环
1. 一种理想的、效率最高的循环过程． 2. 卡诺循环
p p1 p2 p4 p3 0 A B D C V1 V2 V
（1）等温膨胀
（2）绝热膨胀 （3）等温压缩 （4）绝热压缩
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3. 热机效率
p p1 p2 p4 p3 0 A B D C V1
高温热源T1 Q1
W Q1 Q2