大学物理学（第2版）课件：热力学第一定律

热力学基础

第一节

热力学第一定律

一、热力学系统和热力学过程二、功热量内能三、热力学第一定律四、热力学第一定律的另一种表述一、热力学系统和热力学过程1、系统与外界热力学系统（简称系统）在热力学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒子组成的物体或物体系称为热力学系统。系统的外界（简称外界）能够与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体，称为外界。2.热力学过程

当系统的状态随时间变化时，我们就说系统在经历一个热力学过程，简称过程。推进活塞压缩汽缸内的气体时，气体的体积、密度、温度或压强都将变化3.非静态过程

在热力学过程的发生时，系统往往由一个平衡状态经过一系列状态变化后到达另一平衡态。如果中间状态为非平衡态，则此过程称非静态过程。

从平衡态破坏到新平衡态建立所需的时间称为弛豫时间。一、热力学系统和热力学过程4.准静态过程

如果一个热力学系统过程在始末两平衡态之间所经历的之中间状态，可以近似当作平衡态，则此过程为准静态过程。准静态过程只有在进行的“无限缓慢”的条件下才可能实现。对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间远远大于弛豫时间才可近似看作准静态过程。一、热力学系统和热力学过程说明：

系统的准静态变化过程可用pV图上的一条曲线表示，称之为过程曲线。一、热力学系统和热力学过程二、功热量内能1.功

当气体作无摩擦的准静态膨胀或压缩时，为了维持气体的平衡态，外界的压强必然等于气体的压强。系统对外界所作的功等于pV

图上过程曲线下面的面积VOPdVV1V2说明系统所作的功与系统的始末状态有关，而且还与路径有关，是一个过程量。气体膨胀时，系统对外界作功气体压缩时，外界对系统作功作功是改变系统内能的一种方法本质：通过宏观位移来完成的：机械运动→分子热运动二、功热量内能

外界向系统传递热量，系统内能增大（例如加热水）。系统向外界传递热量，系统内能减小。系统与外界之间由于存在温度差而传递的能量叫做热量。外界与系统相互交换热量。分子热运动→分子热运动说明热量传递的多少与其传递的方式有关热量的单位：焦耳二、功热量内能2.热量

热力学系统的能量取决于系统的状态——内能。说明理想气体的内能仅是温度的函数热力学系统内能的变化是通过系统与外界交换热量或外界对系统作功来实现的系统内能的增量只与系统起始与终了位置有关，而与系统所经历的过程无关二、功热量内能3.内能2AB1**2AB1**

例题7-1

有1mol的理想气体，其压强按

的规律变化，C是常量。求气体从容积V1增加到V2所作的功。该理想气体的温度是升高还是降低？投稿三、热力学第一定律1.内容

系统从外界吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另一部分使系统对外界作功2.本质

热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒定律，对任何物质的任何过程都成立。对于微小过程3.说明符号规定：热量Q：正号——系统从外界吸收热量

负号——系统向外界放出热量功A：正号——系统对外界作功

负号——外界对系统作功内能ΔE：正号——系统能量增加

负号——系统能量减小计算中:各物理量的单位是相同的，在SI制中为J三、热力学第一定律四、热力学第一定律的另一种表述1.第一类永动机不需要外界提供能量，也不需要消耗系统的内能，但可以对外界作功。2.热力学第一定律的另一种表述第一类永动机是不可能造成的。第一类永动机违反了能量守恒定律，因而是不可能实现的

永动机的设想图练习如图所示，1mol氦气，由状态

沿直线变到状态

，求这过程中内能的变化、对外作的功、吸收的热量。投稿练习如图所示，1mol氦气，由状态

沿直线变到状态

，求这过程中内能的变化、对外作的功、吸收的热量。解：1.有关热量,下列说法中正确的是[]热是一种物质热能是物质系统的状态参量热量是表征物质系统固有属性的物理量热传递是改变物质系统内能的一种形式ABCD提交单选题1分2.关于功的下列各说法中,错误的是[]功是能量变化的一种量度功是描写系统与外界相互作用的物理量气体从一个状态到另一个状态,经历的过程不同,则对外做的功也不一样系统具有的能量等于系统对外做的功ABCD提交单选题1分第二节

热力学第一定律的应用

一、等容过程摩尔定容热容二、等压过程摩尔等压热容三、理想气体的内能和摩尔热容四、等温过程五、绝热过程一、等容过程摩尔定容热容1.等容（体）过程

V=C特点：理想气体的体积保持不变

过程曲线：在PV图上是一条平行于p轴的直线。内能、功和热量的变化特征：系统对外界不作功，系统吸收的热量全部用来增加系统的内能。2.摩尔定容热容1mol理想气体在等体过程中，温度升高1K时所吸收的热量，称为该物质的摩尔定容热容。等体过程的热量公式气体内能的增量一、等容过程摩尔定容热容二、等压过程摩尔等压热容1.等压过程P=C特点：理想气体的压强保持不变过程曲线：在PV图上是一条平行于V轴的直线，叫等压线。内能、功和热量的变化特征：系统吸收的热量一部分用来增加系统的内能，另一部分使系统对外界作功。2.摩尔定压热容1mol理想气体在等压过程中，温度升高1K时所吸收的热量，称为该物质的定压摩尔热容。等压过程的热量公式二、等压过程摩尔等压热容注意：1mol气体温度改变1K时，在等压过程中比在等体过程中多吸收8.31J

的热量用来对外作功。，叫做热容比

CV

Cp热容比

单原子分子351.67

双原子分子571.4刚性多原子分子681.3摩尔热容（R/2）3.关于摩尔热容的讨论理想气体的定压摩尔热容比定体摩尔热容大一个恒量R在等体过程中，气体吸收的热量全部用来增加系统的内能等压过程中，气体吸收的热量，一部分用来增加系统的内能，还有一部分用于气体膨胀时对外界作功气体升高相同的温度，在等压过程吸收的热量要比在等容过程中吸收的热量多。三、等温过程特点：理想气体的温度保持不变过程曲线：在PV图上是一条双曲线过程方程：系统从外界吸收的热量，全部用来对外作功。T=C，或PV=C1212内能、功和热量的变化四、绝热过程1.绝热过程特点：系统与外界没有热量交换的过程，Q=0。内能和功的变化特征：在绝热过程中，系统对外界所作的功是由于系统内能的减少来完成的。2.绝热方程四、绝热过程，叫做热容比气体绝热自由膨胀气体真空Q=0，A=0，

E=0过程方程的推导：由热力学第一定律对于理想气体考虑将上式与理想气体的状态方程结合即可得另外两式。四、绝热过程得绝热过程计算功的方法将绝热方程

代入

得四、绝热过程3.绝热线和等温线绝热线等温线斜率斜率因为=CP,m/CV,m1，所以绝热线比等温线更陡四、绝热过程练习如图所示，使1mol氧气(1)由A等温地变到B；

(2)由A等体地变到C，再由C等压地变到B.试分别计算氧气所作的功和吸收的热量.投稿练习如图所示，使1mol氧气(1)由A等温地变到B；

(2)由A等体地变到C，再由C等压地变到B.试分别计算氧气所作的功和吸收的热量.解：（1）A-B（2）A-C-B例题7-2(2)计算各过程中气体所吸收的热量、气体所作的功和气体内能的增量。解：(1)C—A过程B—C过程ΔEΔEΔEΔE(2)练习：

一定量的单原子分子理想气体，从初态A出发，沿图示直线过程变到另一状态B，又经过等容、等压两过程回到状态A。求:（1）A—B，B—C，C—A各过程中系统对外所作的功A，内能增量及所吸收的热量Q（2）整个循环过程中系统对外所作的总功以及总热量。解：(1)A—B过程B—C过程C—A过程总功总热量（2）例题7-3如图a所示，给金属圆筒中盛有1mol刚性双原子分子的理想气体，用可动活塞封住，圆筒浸在冰水混合物中。迅速推动活塞，使气体从标准状态（活塞位置I）压缩到体积为原来的一半的状态（活塞位置II），然后维持活塞不动，待气体温度下降至0OC，再

让活塞缓慢上升到位置I，完成一次循环。（1）试在p-v图上画出相应的理想循环曲线；（2）若做100次循环放出的总热量全部用来溶解冰，则有多少冰被融化？（已知冰的熔解热λ=3.35×105J.kg-1）III冰水混合物解：（1）理想循环曲线如图。其中ab为绝热压缩，bc为等体降温，ca为等温膨胀。OPVV1V1/2b(T2)a(T1)c(T1)（2）bc过程放热：ca过程吸热：ab为绝热过程：解上述方程得系统一次循环放出净热量：

若100次循环放出的总热量全部用来熔解冰，则可熔冰：练习

一定量的某单原子分子理想气体装在封闭的气缸里。此气缸有可活动的活塞（活塞与气缸壁之间无摩擦且不漏气）。已知气体的初始压强p1=1atm，体积V1=1

L，现将该气体在等压条件下加热直到体积变为原来的2倍，然后在等体条