小学教育章热力学第一定律热力学基础学习教案

1、小学教育小学教育(jioy)章热力学第一定律热力章热力学第一定律热力学基础学基础第一页，共30页。热力学概论热力学概论(giln)(giln)及基本概念及基本概念热力学的基本内容热力学的方法和局限性体系与环境体系的分类体系的性质热力学平衡态状态函数状态方程热和功几个基本概念：第1页/共30页第二页，共30页。研究宏观系统的热与其他形式能量之间的相互(xingh)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(rnli)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(ynji)化学现象和相关的物理现象根据第一定律计

2、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。热力学的基本内容热力学的基本内容第2页/共30页第三页，共30页。热力学方法是一种演绎的方法，结合经验所得(su d)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。只考虑平衡问题，考虑变化前后的净结果(ji gu)，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(yj)进行到什么程度，但不考虑变化所需要的时间。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。热力学方法和局限性热力学方法和局限性第3页/共30页第四页，共30页。局限性不知道反应(fnyng)的机理和反应(fnyng)速率；不研究系

3、统的宏观性质与微观结构(jigu)之间的关系； 可以指出进行(jnxng)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。热力学方法和局限性热力学方法和局限性第4页/共30页第五页，共30页。体系体系(tx)(tx)与环境与环境体系(tx)（System）简单而言，体系即研究之对象。也就是(jish)为了研究问题的方便，我们常常用一个真实或想象的界面把一部分物质或空间与其余分开，这种被划定的研究对象称为体系，亦称为物系或系统。环境（surroundings）与系统密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。第5页/共30页第六页，共30页。体系体系(tx

4、)(tx)分类分类根据体系与环境之间的关系(gun x)，把体系分为三类（以体系与环境之间能否交换能量或物质为依据）（1）敞开体系（open system） 体系与环境(hunjng)之间既有物质交换，又有能量交换。环境有物质交换敞开系统有能量交换经典热力学不研究敞开系统第6页/共30页第七页，共30页。体系体系(tx)(tx)分类分类 （2）封闭体系（closed system） 体系与环境之间无物质交换(jiohun)，但有能量交换(jiohun)。环境(hunjng)无物质交换有能量交换经典热力学主要研究封闭系统封闭系统第7页/共30页第八页，共30页。体系体系(tx)(tx)分类分类（

5、3）孤立体系（isolated system） 体系与环境(hunjng)之间既无物质交换，又无能量交换，故又称为隔离体系。环境(hunjng)无物质交换无能量交换隔离系统(1)第8页/共30页第九页，共30页。体系体系(tx)(tx)分类分类（3）孤立(gl)体系（isolated system） 有时把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立(gl)体系来考虑。大环境(hunjng)无物质交换无能量交换孤立系统(2)第9页/共30页第十页，共30页。体系体系(tx)(tx)的性质的性质 用宏观性质来描述体系(tx)的热力学状态，故这些性质又称为热力学变量。可分为两类：广度性质（extens

6、ive properties） 又称为容量性质，它的数值与体系的物质的量成正比，如体积、质量、熵等。这种性质有加和性，在数学(shxu)上是一次齐函数。强度性质（intensive properties） 它的数值取决于体系自身的特点，与体系的数量无关，不具有加和性，如温度、压力等。它在数学上是零次齐函数。指定了物质的量的容量性质即成为强度性质，如摩尔热容，或两个容量性质相除得强度性质。 第10页/共30页第十一页，共30页。mUUn广度性质广度性质(1)物质的量广度性强度性质质(2)mVmVVnmSSn体系体系(tx)的性质的性质第11页/共30页第十二页，共30页。 当系统的诸性质(xng

7、zh)不随时间而改变，则系统就处于热力学平衡态，它包括下列几个平衡： 热平衡（thermal equilibrium） 系统(xtng)各部分温度相等 力学平衡（mechanical equilibrium） 系统各部的压力都相等(xingdng)，边界不再移动。如有刚壁 存在，虽双方压力不等，但也能保持力学平衡 相平衡（phase equilibrium）多相共存时，各相的组成和数量不随时间而改变 化学平衡（chemical equilibrium ） 反应系统中各物的数量不再随时间而改变热力学平衡态热力学平衡态 第12页/共30页第十三页，共30页。 系统的一些性质，其数值仅取决于系统所处

8、(su ch)的状态，而与系统的历史无关； 状态函数(hnsh)的特性可描述为： 异途同归，值变相等； 状态函数在数学上具有(jyu)全微分的性质。状态函数（状态函数（state function） 它的变化值仅取决于系统的始态和终态，而与变化的途径无关。具有这种特性的物理量称为状态函数周而复始，数值还原。第13页/共30页第十四页，共30页。 系统状态(zhungti)函数之间的定量关系式称为状态(zhungti)方程 对于一定量的单组分均匀系统，状态函数(hnsh) 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(hnsh)关系可表示为： 例如，理想气体(l xi

9、n q t)的状态方程可表示为： 状态方程状态方程（equation of state）( , )Tf p V( , )pf T V( , )Vf T p 对于多组分系统，系统的状态还与组成有关，如：pVnRT12,( , , , )Tf p V nn第14页/共30页第十五页，共30页。过程(guchng)从始态到终态的具体步骤称为(chn wi)途径。 在一定的环境条件下，系统发生了一个(y )从始态到终态的变化，称为系统发生了一个(y )热力学过程。(process)途径(path)过程和途径过程和途径第15页/共30页第十六页，共30页。常见的变化常见的变化(binhu)(binhu)

10、过程过程（3）等容过程（）等容过程（isochoric process) 在变化过程中，体系的容积始终保持不变。在变化过程中，体系的容积始终保持不变。12TTT环（1）等温过程（）等温过程（isothermal process) 在变化过程中，体系的始态温度与终态温度相同，并等于环境温度。在变化过程中，体系的始态温度与终态温度相同，并等于环境温度。（2）等压过程（）等压过程（isobaric process) 在变化过程中，体系的始态压力与终态压力相同，并等于环境压力。在变化过程中，体系的始态压力与终态压力相同，并等于环境压力。12TTT环12ppp环d0V 第16页/共30页第十七页，共30

11、页。常见的变化常见的变化(binhu)(binhu)过程过程（4）绝热过程（）绝热过程（adiabatic process) 在变化过程中，体系与环境不发生热的传递。对那些变化极快的过程，如爆炸，快速燃烧，体系与环境来不及发生热交换，那个瞬间可近似作为绝热过程处理。在变化过程中，体系与环境不发生热的传递。对那些变化极快的过程，如爆炸，快速燃烧，体系与环境来不及发生热交换，那个瞬间可近似作为绝热过程处理。（5）循环过程（）循环过程（cyclic process) 体系从始态出发，经过一系列变化后又回到了始态的变化过程。在这个过程中，所有状态函数的变量等于零。体系从始态出发，经过一系列变化后又回到

12、了始态的变化过程。在这个过程中，所有状态函数的变量等于零。d0U 0Q 第17页/共30页第十八页，共30页。常见的变化常见的变化(binhu)(binhu)过程过程（6）对抗恒定外压过程）对抗恒定外压过程 系统在体积膨胀或压缩系统在体积膨胀或压缩(y su)的过程中所对抗的环境的压力的过程中所对抗的环境的压力 Psu=常数。常数。（7）自由膨胀过程（）自由膨胀过程（ free expansion process)如图所示，左球内充有气体，右球内呈真空，活塞如图所示，左球内充有气体，右球内呈真空，活塞(husi)打开后，气体向右球膨胀，也叫向真空膨胀过程。打开后，气体向右球膨胀，也叫向真空膨胀

13、过程。第18页/共30页第十九页，共30页。ABCABC绝热导热第19页/共30页第二十页，共30页。理想气体理想气体(l xin q t)(l xin q t)状态方程状态方程 体系状态(zhungti)函数之间的定量关系式称为状态(zhungti)方程（state equation）。 对于一定量的单组分均匀体系，状态函数T,p,V 之间有一定量的联系。经验证明(zhngmng)，只有两个是独立的，它们的函数关系可表示为：T=f（p,V）p=f（T,V）V=f（p,T） 例如，理想气体的状态方程可表示为：例如，理想气体的状态方程可表示为： pV=nRT 第20页/共30页第二十一页，共30

14、页。理想气体理想气体(l xin q t)(l xin q t)状态方程状态方程(jngyn)可得可得 PV=nRT 或或 PVm=RT（理想气（理想气体或高温、低压气体）体或高温、低压气体） R=8.314 Jmol-1K-11k1k第21页/共30页第二十二页，共30页。理想气体理想气体(l xin q t)(l xin q t)状态方程状态方程个参考模型。个参考模型。特点特点(tdin)： 1.分子不占有体积；分子不占有体积； 2.分子间无作用力。分子间无作用力。第22页/共30页第二十三页，共30页。DaltonDalton分压定律分压定律(dngl)(dngl)在定温下，在体积为V的

15、容器中，混合(hnh)如下气体因为(yn wi)mix12NNN所以12ppp或iipxp第23页/共30页第二十四页，共30页。AmagatAmagat分体积分体积(tj)(tj)定律定律在定温、定压下，设两种气体的混合(hnh)过程如下混合(hnh)后的体积为312VVViiVVx若有多种气体混合12VVV或第24页/共30页第二十五页，共30页。 a, b 为范德华常数，与气体种类为范德华常数，与气体种类有关；方程适用于几十个有关；方程适用于几十个atm的的中压范围内实际气体的中压范围内实际气体的 p, V, n 的计算的计算22n aPVnbnRTV第25页/共30页第二十六页，共30页。m23mmm1 (2.19)PVBCDRTVVV23m1PVB PC PD PRT m2maPVbRTTV第26页/共30页第二十七页，共30页。系统(xtng)吸热，Q0系统(xtng)放热，Q0系统对环境(hunjng)作功，W0W的取号：