第一章热力学第一定律

第一章热力学第一定律夏天，有一用绝热材料做成的房间，门窗紧闭，房内放置一台电冰箱并通电。若将冰箱门打开，房间会降温凉快下来吗？问题导入—冰箱能代替空调吗？第一章热力学第一定律热力学（Thermodynamics）是研究能量转换过程中应遵循的规律的科学。（1）研究在各种物理变化和化学变化过程中所发生的能量效应；（合理性）（2）研究在一定条件下某种过程能否自发进行；若能，则会进行到什么程度为止？（可能性和彻底性）例如：电冰箱问题、永动机问题等。例如：石墨变成金刚石问题、高炉炼铁问题等。第一章热力学第一定律§1-1基本概念一、系统与环境1、概念：在热力学上将作为研究对象的那部分物质称为系统；将与之有密切联系（即可能有物质或能量交换）的其余部分称为环境。系统环境第一章热力学第一定律例如：以我们现在上课的教室为例（1）如果以人为系统，则周围的空气就是环境；

（系统与环境之间有界面）（2）如果以人和教室内的空气为系统，则教室外面的空气就是环境。（系统与环境之间无界面）说明：系统与环境的界面可以是实际存在的，也可以无界面。第一章热力学第一定律2、系统的分类根据系统与环境之间联系的性质不同可分为：系统类别能量交换物质交换敞开系统√√封闭系统√×隔离系统××第一章热力学第一定律例1：以热水瓶中的开水为系统敞开系统封闭系统隔离系统铝片第一章热力学第一定律例2：装有开水的烧杯置于一绝热容器内（1）若以烧杯中的开水为研究对象，则为

系统；敞开（2）若以绝热容器内所有的水（包括水蒸气）为研究对象，则为

系统；封闭（3）若以绝热容器内所有的物质（包括绝热容器本身）为研究对象，则为

系统。隔离所选取的研究对象不同，则可能分属于不同的系统。第一章热力学第一定律3、系统的性质（宏观性质）（1）广度性质：与系统所含物质的量有关，具有加和性。（如质量、体积等）（2）强度性质：与系统所含物质的量无关，不具有加和性。（如温度、压力、密度等）在一定条件下，广度性质可以转化为强度性质。第一章热力学第一定律二、状态与状态函数1、状态：系统内所有宏观性质的总和。在热力学上用系统的宏观性质来确定系统的状态。例如：对于理想气体，用p、V、n、m、T等性质确定。（1）系统的各种宏观性质都确定后，系统就有确定的状态；（2）系统的状态确定后，各种宏观性质也都有确定的值（定态有定值）。第一章热力学第一定律2、状态函数（1）概念：系统的宏观性质与其状态间具有单值对应关系，该对应关系即为状态函数。例如：对于理想气体，宏观性质p、V、n、m和T

之间存在以下函数关系：第一章热力学第一定律（2）状态函数的特点（a）定态有定值；（一定状态下，所有的状态函数皆有确定的值）（b）系统状态的微小变化所引起状态函数的变化，可以用全微分来表示。（c）状态函数的变化只与系统的始态和终态有关，与状态变化的具体历程无关。第一章热力学第一定律三、过程与途径1、概念：系统从一个状态变化至另一个状态，这种变化称为发生了一个过程；实现这一过程的具体步骤称为途径。2、常见的过程：（1）等温过程：T始=T终=T环；dT=0。（2）等压过程：p始=p终=p环；dp=0。（3）等容过程：V始=V终

；dV=0。第一章热力学第一定律2、常见的过程（4）绝热过程：系统与环境之间无热交换的过程。（5）循环过程：系统经过一系列变化过程后又回到始态的过程。（6）可逆过程：当系统从始态A经过某一过程变化到终态B之后，若能使系统再回到始态A，并能消除原过程对环境所产生的一切影响，则此过程称为可逆过程。第一章热力学第一定律悄悄的我走了，正如我悄悄的来；

我挥一挥衣袖，不带走一片云彩。第一章热力学第一定律人生若只如初见，……人生若只如初见，……第一章热力学第一定律夏天，有一用绝热材料做成的房间，门窗紧闭，房内放置一台电冰箱并通电。若将冰箱门打开，房间会降温凉快下来吗？问题导入—冰箱能代替空调吗？第一章热力学第一定律问题导入—自热米饭问题

传统方便食品需要开水浸泡才能食用。一些特殊人群，如野外探险、旅游、部队以及民警执行任务等，如果没有开水就无法食用。自热米饭食用时不用开水、火或电，撕开外包装，将里面自带的纯净水包倒在发热包上，水和发热包自动混合升温，将米饭和菜肴蒸熟，8-15分钟即可食用。第一章热力学第一定律四、热和功（一）热（Q）1、定义：系统状态发生变化时，因其与环境之间存在温度差所引起的能量交换。2、符号规定：（1）系统从环境吸收热量时，Q＞0；（2）系统向环境释放热量时，Q＜0。本质：粒子间无序运动的强度不同而交换的能量。第一章热力学第一定律（二）功（W）1、定义：系统状态发生变化时，除热之外，以其它形式与环境交换的能量称为功。2、符号规定：（1）环境对系统做功时，W＞0；（2）系统向环境做功时，W＜0。本质：粒子间有序运动而交换的能量。第一章热力学第一定律3、功的类型（1）体积功（W）：因系统体积变化而与环境交换的功。如右图所示，假定活塞本身没有重量，且与容器内壁间无摩擦力。当容器内气体膨胀时，活塞移动的距离为dl，则气体（系统）对活塞（环境）所做的功为：第一章热力学第一定律（1）系统膨胀时（系统对环境做功）：不妨以容器内的气体为系统，则有：（2）系统被压缩时（环境对系统做功）：第一章热力学第一定律小结：体积功（W）的计算：（a）等容过程：；（b）等压过程：；（c）自由膨胀（真空膨胀）：。第一章热力学第一定律3、功的类型（2）非体积功（W′）：除体积功以外的功，如：电功、表面功等。第一章热力学第一定律表面功：由凝聚态物体的表面积改变所做的功。例如：水滴长大要抵抗其表面张力σ而做功。若使表面积增加dS，则水滴（系统）对环境所做的表面功为：第一章热力学第一定律五、内能（也称为热力学能，U）1、概念：蕴藏在系统内部的能量，包括系统内分子运动的动能能、分子间相互作用的势能以及分子中各粒子（原子、电子、原子核等）所具有的能量。注意：内能不包括整个系统所具有的动能以及系统在外力场中所具有的势能。第一章热力学第一定律2、内能的性质（1）内能属于状态函数，只与系统的始态和终态有关；（2）系统内能的绝对值无法测定，只能测算其变化量。3、内能的符号规定：（2）系统内能减小，。（1）系统内能增大，；第一章热力学第一定律§1-2热力学第一定律一、文字表述热力学第一定律是能量转换及守恒定律用于热力学封闭系统(包括隔离系统)的特殊形式。具体表述为：1、封闭系统中的热力学能不会自行产生或消灭，只能以不同的形式等量地相互转化。2、第一类永动机(无需环境供给能量而能连续对环境做功的机器)是不能制造出来的。第一章热力学第一定律二、热力学第一定律的数学表达式如右图所示，若以容器中的水和水蒸气为系统，则该系统为封闭系统。根据能量守恒定律，则有：12QW——热力学第一定律的数学表达式第一章热力学第一定律热力学第一定律：或物理意义：系统状态发生变化时，其内能的增量等于系统所吸收的热量与环境对系统所做的功的总和。U1U2状态1状态2WQ第一章热力学第一定律三、热力学第一定律的应用1、第一类永动机是不可能实现的。所谓第一类永动机就是设想制造出一种机器，它既不需要外界供给能量，本身也不会减少能量，却能不断地对外做功。也即俗话所说的“既要马儿跑，又要马儿不吃草。”。所以第一类永动机是不可能实现的。因为：根据热力学第一定律，则第一章热力学第一定律2、系统定态有定值。系统状态发生变化时，其能量变化完全由始态和终态所决定，与状态变化的具体途径无关。BA如右图所示，系统由状态A变化到状态B，再从状态B变化为状态A，若，则每次循环都有多余的能量产生，违背热力学第一定律。所以第一章热力学第一定律3、系统状态发生变化时，其内能的改变量是一定的，但在实现这一状态变化的各个可能过程中，热和功可以有不同的值。例如：对于反应每当有1mol锌置换出1mol铜时，系统地内能减少249.4kJ。即：（1）途径Ⅰ：将锌片直接插入硫酸铜水溶液中；（2）途径Ⅱ：将锌片与铜片构成原电池。第一章热力学第一定律途径Ⅰ：锌片直接插入溶液途径Ⅱ：锌与铜构成原电池即内能减少表现为向环境放热。即内能减少表现为向环境放电。第一章热力学第一定律四、典型实例—电冰箱问题

夏天，有一用绝热材料做成的房间，门窗紧闭，房内放置一台电冰箱并通电。现分别选择以下不同对象作为系统，试判断下列情况下、的符号。第一章热力学第一定律分析：（1）以刚放入冰箱的食品为系统；（2）以冰箱为系统（设冰箱温度恒定）；（3）以冰箱和电源为系统；（4）以冰箱和房间为系统；第一章热力学第一定律（5）以房间为系统；（6）以冰箱、电源以及房间为系统（隔离系统）；不妨以房间为系统：（7）将冰箱门打开，凉气袭人，能代替空调吗？这种情况下房间只会越来越热，所以不能代替空调。第一章热力学第一定律夏天，有一用绝热材料做成的房间，门窗紧闭，房内放置一台电冰箱并通电。若将冰箱门打开，房间会降温凉快下来吗？[前面提出的问题—冰箱能代替空调吗？]不能！第一章热力学第一定律§1-3等容过程热、等压过程热及焓一、等容过程热QV1、定义：在等容过程中（系统既不做体积功，也不做非体积功）系统所吸收或放出的热量，称为等容过程热。2、特性：根据热力学第一定律即等容过程系统吸收的热量在数值上等于其内能的增量。第一章热力学第一定律二、等压过程热Qp1、定义：在等压过程中，若系统只做体积功且不做非体积功，则系统所吸收或放出的热量，称为等压过程热。2、特性：根据热力学第一定律第一章热力学第一定律等压过程系统吸收的热量在数值上等于其焓的增量。即对于不妨令则2、等压过程热Qp的特性H命名为焓第一章热力学第一定律三、焓（H）1、定义：2、特点：（1）焓是状态函数，只取决于系统的始态和终态；（2）焓具有能量单位（kJ/mol），但没有确切的物理意义；（3）由于大多数的过程是在等压条件下进行的（如熔化、凝固等），引入“焓”这个状态函数可以大大简化对一些复杂过程的研究。第一章热力学第一定律§1-4热容与热量的计算问题导入—自热米饭问题

传统方便食品需要开水浸泡才能食用。一些特殊人群，如野外探险、旅游、部队以及民警执行任务等，如果没有开水就无法食用。自热米饭食用时不用开水、火或电，撕开外包装，将里面自带的纯净水包倒在发热包上，水和发热包自动混合升温，将米饭和菜肴蒸熟，8-15分钟即可食用。第一章热力学第一定律自热米饭内包装第一章热力学第一定律一、热容（C）1、概念：在不发生化学反应和相变，且不做非体积功的条件下，一定量的物质温度升高一度所吸收的热量。2、分类：（2）平均热容：实验证明，温度间隔不同，平均热容的数值也不同，即平均热容随温度而变。（1）摩尔热容（Cm）：使1mol物质温度升高1K所吸收的热量。

单位：第一章热力学第一定律（3）真热容：（4）等容热容：（5）等压热容：物质的热容除了与温度有关，该与加热过程有关。等压摩尔热容：等容摩尔热容：第一章热力学第一定律二、热容与温度的关系（经验公式）或者（常用于高温）其中：Cp,m—等压摩尔热容，a，b，c，c′—常数；T—热力学温度，K。第一章热力学第一定律典型实例：试计算727℃时，

解：由书P294附录Ⅱ查得：Al2O3(α)在298-1800K之间Cp,m与T的关系式为:将T=727+273=1000K代入上式得：第一章热力学第一定律三、热量的计算1、利用平均热容来估算。

例：在中频感应炉中熔炼灰铸铁。现欲使1.5t的铁水从1300℃升温至1450℃，问需吸收多少热量？已知液态铸铁的平均热容。解：答：需要197550kJ的热量。第一章热力学第一定律三、热量的计算2、利用等压热容精确计算。1mol物质：nmol物质：第一章热力学第一定律§1-5热力学第一定律在相变过程中的应用一、相变过程1、定义：物质聚集状态的变化以及固体晶型的转变过程。例如：熔化、凝固、升华、冷凝、同素异构转变等。2、特点：（1）相变过程一般在恒温恒压下进行，可以视为可逆过程；（2）相变过程吸收（或放出）的热量可用焓变表示。第一章热力学第一定律二、典型实例试计算在101kPa下，1mol冰在0℃时溶化为水的内能变化及焓变。已知101kPa下，0℃时冰的摩尔溶化热为；冰和水的密度分别为0.9168g/cm3和0.99999g/cm3。解：第一章热力学第一定律§1-6热化学一、基本概念1、反应热：指系统在不做非体积功的反应过程中所吸收或放出的热量。—热力学第一定律在化学反应中的应用例如：（1）焦炭燃烧：（2）镁条燃烧：第一章热力学第一定律2、潜热：在一定温度和压力下，系统发生相变过程中所吸收或放出的热量，也称为相变热。如：结晶潜热、熔化潜热等。纯金属结晶过程第一章热力学第一定律3、显热：指仅因系统温度变化而与环境交换的热量。例如：在常压条件下，将水从室温加热到100℃所吸收的热量。第一章热力学第一定律4、热化学方程式：表示化学反应及其热效应的方程式。例如：在氧气顶吹转炉炼钢过程中，硅的氧化与渣的形成反应：1600℃101kPa第一章热力学第一定律先用废钢斗向转炉内倾倒废钢第一章热力学第一定律再向转炉里倒入铁水第一章热力学第一定律氧气顶吹转炉正在冶炼，炉口火焰明亮刺眼，钢花飞溅。第一章热力学第一定律钢水在转炉内沸腾翻滚的壮观景象第一章热力学第一定律转炉正在出钢，倾倒钢水进入炉下的钢水包。第一章热力学第一定律1600℃101kPa4、热化学方程式说明：（1）要注明各物质的聚集状态及其晶型；g—气态；l—液态；s—固态；[]—表示物质熔解于金属熔体中；（）—表示物质熔解于熔渣中。（2）要注明反应的条件（温度、压力等）。第一章热力学第一定律二、盖斯定律分析：等压过程的热效应等容过程的热效应均为状态和终态，与过程无关。函数，仅取决于系统的始态1、内容：在等压或等容条件下，化学反应不管是一步完成，还是分几步完成，其热效应相同。第一章热力学第一定律2、条件：从同一个始态到同一个终态。（同始同终）3、意义：盖斯定律的发现奠定了整个热化学的基础，使化学方程式也能像普通代数方程式那样进行加减运算，从而根据已知准确测定的热力学数据计算难于测量、甚至不能测量的反应热。第一章热力学第一定律4、典型实例：[低碳钢渗碳问题]始态终态途径I途径II第一章热力学第一定律4、典型实例：[低碳钢渗碳问题]已知：试求：的热效应。解：对于反应第一章热力学第一定律三、标准摩尔生成焓1、概念：一定温度下，由标准状态的稳定单质生成1mol物质B的等压反应热，称为物质B在该温度下的标准摩尔生成焓。2、说明:（1）标准状态：压强为100kPa，记为；p⊖（2）手册上所列出的通常为298K下的标准摩尔生成焓；（3）必须是由标准状态下的稳定单质生成；（4）稳定单质的标准摩尔生成焓为零。第一章热力学第一定律3、表示方法:如:

注意:C