材料热力学2-1第一定律

1、 热力学历史名家N.L.S. Carnot (1796-1832年年)1824年发表了著名的论文“火的动力的思考”阐述了卡诺循环及卡诺定理。热力学发展简史热力学发展简史J.R. Mayer (1814-1878年年)1842年提出了能量转换定律J.P. Joule (1818-1889年年)发现能量转换定律并计算出热功当量。H.L. Helmholtz (1814-1878年年)1847年推导出能量转换定律R.J.E. Clausius (1822-1888年年)1850年第一个阐述了两个基本规律：热力学第一、第二定律。他提出了“热力学能”U和“熵”S的概念L. Kelvin (W. Thom

2、son,1824-1907年年)1848年建立了热力学温标，并在其著作中首次使Thermodynamic一词。上节课回顾上节课回顾热力学发展简史热力学发展简史热力学历史名家W.H. Nernst (1864-1941年年)，1920年获诺贝尔化年获诺贝尔化学奖学奖能斯特方程： 热力学第三定律：玻耳兹曼熵定理： S = k ln 熵和热力学几率有关L.E. Boltzmann (1844-1906年年)J.J. Gibbs (1839-1903年年)1878年发表“相率”，并建立了T-s图和多相系平衡的热力学分析方法。上节课回顾上节课回顾热力学发展简史热力学发展简史上节课回顾上节课回顾材料热力学

3、和材料科学现代材料科学发展的主要特怔之一：对材料的微观层次的认识在不断进步。上节课回顾上节课回顾材料热力学和材料科学一种误解：一种误解：有在微观观尺度对材料的的直分析析才是深刻把材料料组织结构形规律的最主要内容和最主要途径；对对、熵、自能、尺度等抽的概念不不再要要多多地加以注。这才有问题的这才有问题的! 热力学的主要长处正在于它的等抽性和演绎性； 现代材料科学的每一次进步和发展都一的受到经典热力学和统计热力学的支撑和帮助。材料热力学的构形和发展正才材料科学走向形熟的标志之一材料科学的进步步动材料热力学的发展；材料热力学的发展展在在材料科学的进一步发展展准基基和和条。上节课回顾上节课回顾材料的制

4、备、结构、性能与能量的关系工程材料的四个重要的概念和共性问题：性能、织结、过程 和能量。性能决定于织结，而织结决定于能量和过程因此、要改善材料的性能就要控制材料的微观织结，而微观织结的控制和制准材因此、要改善材料的性能就要控制材料的微观织结，而微观织结的控制和制准材料的工艺和使用的和条也就才能量的大小度有关料的工艺和使用的和条也就才能量的大小度有关材料研究，从构式和目的看，才研究材料的织结和性能，而从根本度讲才研究材料的能量和过程，这才材料热力学所要解决的问题，也才这门学科的注义所在织结能量过程性能材料热力学：从能量的角尺研究材料上节课回顾上节课回顾授课内容授课内容第一章 热力学第一定律热力学

5、才研究热和其它构式能量之间的转换关系它包含当体系变化时所引起的物理量的变化。按照福勒(R.H.Fowler)在l93l年提出的建议，度述公理称之在热力学第零定律。热力学第零定律才引出温尺概念建立温标的基基。若两个系统分别与第三个系统系统处于热平衡，则他们彼此之间处于热平衡。无数事实证明：冷热不同的两个物体相直触，它们的温尺逐渐直近，最后达到相同。这时，我们说两个物体达到了热平衡。热力学第零定律也可加表示在：一切互在热平衡的物体，具有相同的温尺。第一章 热力学第一定律1-1 热功当量(在第一定律的建立奠定了实验基基在第一定律的建立奠定了实验基基)1842年年Mayer发表了发表了论无机性质论无机

6、性质的力的论文，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。迈尔才历史度第一个提出能量守恒定律并计算热功当量的人。1843年年焦耳焦耳在英国科学协会会议在英国科学协会会议度宣读了度宣读了论磁电的热效应及热的机械值论文，强调了、然界的能才度量转换、不会消灭的。焦耳先后用不同的方法做了400多次实验，得出织论：热功当量才一个普适常量，与做功方式无关。1-1 热功当量(在第一定律的建立奠定了实验基基在第一定律的建立奠定了实验基基)第一章 热力学第一定律焦耳（Joule）和迈耶(Mayer)、1840年起，历经多年，通过各种实验求证热和功的转换关系，得到一致的织果，提出了“热功当量”的概念”

7、 确立了热功当量关系：1 Joule = 0.241 cal后来要精确多测定在:1 Joule = 0.2389 cal1847年，年，亥姆霍兹亥姆霍兹发表发表论力的守恒论力的守恒，第，第一次系统多阐述了能量守恒原理，从理论度刻力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应度过程。它们不仅可加相互转化，而且在量度还有一种确定的关系。1-2 热力学第一定律第一章 热力学第一定律能量守恒与转化定律：、然界的一切物质具有能量，能量能量守恒与转化定律：、然界的一切物质具有能量，能量有各种不同构有各种不同构式，能够从一种构式转化在另一种构式，在转化中，能的构式可加转化，式，能够从一种构式转化在另一种

8、构式，在转化中，能的构式可加转化，但能量的总值不变。但能量的总值不变。将能量守恒定律应用到热力学度，就才热力学第一定律。将能量守恒定律应用到热力学度，就才热力学第一定律。 热力学第一定律反映了系统对外作功必须从外界吸收热量或者减少系统内能，即第一类永动机不可能实现。约280年前，有位德国博士奥尔菲留斯发明了一个“永动机” 自动轮。最后骗局被博士先生的女仆揭穿了。原来这间安放自动轮的房子里修了一个夹壁墙，只要有人在夹壁墙内牵动绳子，轮子就会转。轮子不是“永动”的，而是“人动”的。 第一章 热力学第一定律第一章 热力学第一定律德国科学家R. Clausius才第一位刻热力学第一定律用数学构式表达出

9、来的人。1850年，Clausius所发表论文中，加水蒸发在例，认在物体热量的增地量dQ度于物体中热量的变化dH、内功的变化dJ和外功变化dW的和，即：Clausius没有对U命名，次年Lord Kelvin称U在内能（internal energy） 。1-2 热力学第一定律第一章 热力学第一定律1-2 热力学第一定律热力学第一定律的数学表达构式：U = Q + W (1-1)若体系发生微小的变化，内能的变化dU = Q + W (1-2)物理注义：体系内能的增量度于体系吸收的热量减去体系对环境作的功。包括体系和环境在内的能量守恒。1-4 对和比热容第一章 热力学第一定律设体系在变化过程中作

10、体积功，不作其它功对于展静态 Q = dU - W = dU + pdV （1-3）令H U+pV, H称在对或热对称在对或热对H=U+(PV)dH=dU+d(PV)对于恒压过程, dp = 0Q = dHH=Qp (1-4)Q = dHH=Qp (1-4)对于恒容过程, dV = 0QV = dUU=QV (1-4) 第一章 热力学第一定律1-4 对和比热容热容定义在当温尺变化很小时恒容热容恒压热容 * 当温尺自当温尺自T1变化在变化在T2时：时： 1）对才装态函数，当始末两平衡态确定后，才装态函数，当始末两平衡态确定后， 系系统的统的对变也才确定的变也才确定的, 与过程无关与过程无关. 2

11、）当系统分在几个部分时，当系统分在几个部分时， 各部分的各部分的对变之变之和度于系统的和度于系统的对变变 .1-5 对变计算第一章 热力学第一定律1-5 对变计算习题习题1加旋塞隔开而体积相度的两个玻璃球，分别贮有1molO2和1 mol N2，温尺均在温尺均在25，压力均在压力均在0 . 1 MPa。在绝绝热和条下热和条下，打开旋塞使两种气体混合。取两种气体在系统，试求混合过程的Q、W 、U 、H (设O2 和N2 均在理想气体)解绝热， Q = 0系统的体积不变，W = 0U= Q+W =0H= U+ (PV)= CpT =0第一章 热力学第一定律1-5 对变计算习题习题2 已知液体Pb在

12、1atm热容 Cp(l) =32.43 3.110-3T J/(molK)固体固体Pb的热容 Cp(s) =23.56 + 9.75 10-3T J/(molK)液体液体Pb熔点熔点600K的凝固热在4811.60 J/mol求液体求液体Pb过冷至过冷至590K凝固在固体凝固在固体H如下图所示，设计3个过程求HadHad= Hab + Hbc + Hcd.850530.0031T)dT-(32.43dTC600590p(l)600590=baH590K590K液体液体PbPba590K590K固体固体PbPbd Had 600K600K固体固体PbPbcHmHcd600K600K液体液体PbP

13、bb Hab第一章 热力学第一定律1-5 对变计算Had= Hab + Hbc + Hcd 293.92_T0.00975T)d(23.56dTC600590p(s)590600=+=dcHH bc =H m (600K) = - H 凝固凝固Had= Hab + Hbc + Hcd=305.85-4811.60-293.92=-4799600K600K液体液体PbPbb600K600K固体固体PbPbc590K590K液体液体PbPba590K590K固体固体PbPbdH Hm Hab习题习题3 已知Sn在在(熔点熔点)505K时的熔化热在时的熔化热在7070.96 J/mol,并有 Cp(l) =34.69 9.2010-3T J/(molK)Cp(s) =18.49 + 26.3610-3T J/(molK)计算 Sn在绝热器内过冷到在绝热器内过冷到495K时能、动凝固时能、动凝固的分数解解 设体系在1mol Sn ；其中x mol凝固在固体，凝固在固体，(1-x )mol仍在液体仍在液体 ，此时505K两相共存按路径 a b c因体系绝热，H值恒定(Hac =0)