热力学第一定律热力学第二定律
热力学第一定律和第二定律的应用
热力学第一定律和第二定律的应用热力学是一门研究物质热现象的学科。
它关注热能的产生和传递，以及在这个过程中的热量和温度变化。
在热力学中，第一定律和第二定律是最基本的定律之一，它们是热力学的核心概念。
热力学第一定律被称为能量守恒定律。
它表明，在封闭系统中，能量总是保持不变，只能从一种形式转化为另一种形式。
这个定律提示我们，我们重视能源的消耗和使用，因为不应该浪费能源。
无论是机械能还是热能，都应该正确使用。
一个显著的案例是汽车运转。
当汽车的引擎被点火时，燃料就被燃烧，化学能被转化为机械能。
显然，能源的利用率是非常重要的，因为汽车使用能源的效率越高，汽车性能就越好，所需的燃油也就越少。
这反映在现代汽车的引擎效率上，随着技术的进步，现代引擎通常比早期引擎更高效。
此外，热力学第二定律也是一个重要的定律。
它被称为热力学不可逆性定理。
它表明，在封闭系统中，随着时间的变化，热量总是从高温度向低温度传递，从而稳定达到热平衡。
根据该定律，由于热传递只能从热到冷，因此存在热流方向的限制。
这个定律提示我们，热能是非常宝贵的，必须要使用得当。
在实践中，我们可以利用热力学的知识来提高能源的使用效率。
例如，压缩空气，毫无疑问是一个至关重要的能源效率问题。
空气压缩机的效率对于许多工业进程来说是至关重要的，但许多人不知道如何使这种过程尽可能有效。
这里，热力学可以发挥作用。
通过使用合适的绕组材料或有效的制冷剂，既可以减小压缩的过程中产生的热量损失，从而提高效率。
另外，在燃烧过程中，我们可以跟踪能量的流动，以便找出如何将未使用的热量利用起来。
热力学还可以帮助解释一些自然现象，例如化学反应和地球表面温度。
通过研究这些现象和变化，我们可以得出关于这些过程的基本知识和生产实践成果。
总之，热力学第一定律和第二定律是非常基础的定律，但在现代科学技术和工程过程中扮演着至关重要的角色。
通过合理利用能源和热量，我们可以提高效率，减少浪费，并推动进一步的科学和技术进步。
化学热力学的基本定律
化学热力学的基本定律化学热力学是研究化学反应中热现象的科学，它揭示了物质在化学反应中的热变化规律。
在化学热力学的研究中，有一些基本定律被广泛应用，帮助我们理解和预测化学反应中的热现象。
本文将介绍化学热力学中的基本定律，包括热力学第一定律、热力学第二定律和熵增定律。
热力学第一定律是热力学的基本定律之一，也称为能量守恒定律。
它表明在一个系统中，能量的总量是守恒的，能量既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第一定律的数学表达式可以写为ΔU = q + w，其中ΔU表示系统内能的变化，q表示系统吸收或释放的热量，w表示系统对外界做功。
根据热力学第一定律，系统吸收热量时内能增加，释放热量时内能减少；系统对外界做功时内能减少，被外界做功时内能增加。
热力学第一定律的一个重要应用是热力学循环的分析。
热力学循环是指一系列经过一定步骤后最终回到原始状态的过程，常见的热力学循环包括卡诺循环、斯特林循环等。
通过热力学第一定律，我们可以分析热力学循环中能量的转化过程，计算循环的效率等重要参数，为工程实践提供理论依据。
热力学第二定律是热力学中的另一个基本定律，它揭示了自然界中热现象发生的方向性。
热力学第二定律有多种表述方式，其中最常见的是克劳修斯表述和开尔文表述。
克劳修斯表述指出热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体，即热量不可能自发地从热源吸收而完全转变为功。
开尔文表述则指出在一个孤立系统中，不可逆过程的熵总是增加的，系统朝着熵增的方向发展。
熵增定律是热力学第二定律的一个重要推论，它表明在一个孤立系统中，不可逆过程的熵总是增加的。
熵是描述系统无序程度的物理量，熵增定律指出自然界中的过程总是朝着无序性增加的方向进行。
熵增定律也被称为熵不减定律，它揭示了自然界中熵增加的普遍趋势，是热力学第二定律的一个重要体现。
总的来说，化学热力学的基本定律包括热力学第一定律、热力学第二定律和熵增定律。
这些定律揭示了能量守恒、热现象发生方向性和熵增加的规律，帮助我们理解和预测化学反应中的热现象。
第2章热力学第一定律和第二定律
能量转换方向性的 实质是能质有差异
无限可转换能—机械能，电能
部分可转换能—热能 T T0
不可转换能—环境介质的热力学能
19
能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件-----补偿 过程，其总效果是总体能质降低。
q1 q2 wnet
代价
q2 T1 T2
q2
T2 T1
代价
wnet q1 q2
20
2.3.2 热力学第二定律的两种典型表述
1.克劳修斯叙述——热量不可能自发地不花代价地从低温 物体传向高温物体。
2.开尔文--普朗克叙述——不可能制造循环热机，只从一 个热源吸热，将之全部转化为功，而 不在外界留下任何影响。
3.热力学第二定律各种表述的等效性
T1 失去Q1– Q2 T2 无得失 热机净输出功Wnet= Q1– Q2
c
TH TL s23 1 TL
THs23
TH
qnet q1 q2 TH TL s23 wnet
22
讨论： 1）
c f TH,TL
TH ,TL
2） TL 0,TH c 1
c
c
1
TL TH
即 wnet q1 循环净功小于吸热量，必有放热q2。
3） TL TH ,c 0
(eqm )i
Ptot
4
2.1.2 闭口系统能量方程
闭口系， δmi 0 δmj 0
Q E
2 1
ejδmj
eiδmi
Wtot
忽略宏观动能Ek和位能Ep， E U
Q U W q u w
δQ dU δW δq du δw
第一定律第一解析式— 热
功的基本表达式
p2
B2热力学第一定律和热力学第二定律
20
40
1 2 4 ( 1 5 ) 40 10 1 . 20 10 J pdV 2
4 4 4
Q ΔE W 7 10 1.2 10 8.2 10 J
热学第2章
热力学第一定律和热力学第二定律
例 2mol 单原子气体经过一过程 由a到b再到c，求过程ab和cd 的功，吸收热量和内能 的增量？过程 abc内能的增量？ pV 6 103 p(105 Pa) a 361K pV vRT Ta vR 2 8.3 6 Tb 301K Tc 331K 5 3 c b 过程ab 等体过程 CV R 2 3 3 Wab 0 Qab v RTab 1.50 10 J Eab 10 11V (103 m3 ) 2 过程bc C 5 R Q v 5 RT 1.25 10 3 J bc bc p 2 2 等压过程 Wbc pV 500J Ebc Qbc Wbc 750J 3 Ebc v RTbc 750 J 2
热力学第一定律：
ΔE Q W
dE dQ dW
定体过程
W 0 CV T Q E i RT 2 i CV R 定体摩尔热容 摩尔热容比 2
W p(V2 V1 ) RT
Cp
等压过程
i2 CV i
i E RT 2
i Cp T Q E W v( R R )T 2 i 定压摩尔热容 C p R R CV R 2
摩尔热容C的定义： 1mol理想气体温度升高1度所吸收的热量
热学第2章 内能的变化过程：
热力学第一定律和热力学第二定律
1 1 3kT 3 2 i m0 vi i m0 kT 2 2 m0 2 3 m 3 3 i 3 E N kT N A kT RT E RT 2 M 2 2 2
热力学第一定律热力学第二定律
★符号法则： 系统吸热， Q为正。 系统放热， Q为负。
★ 摩尔热容量Cm：一摩尔物质温度升高1K时系 统从外界吸取的热量。
1 dQ
Cm
( dT
)
7
四、内能
★特点：状态量 (只与始末两态有关，与中间 过程无关)
★气体的内能 E m i RT
1
是内能减少。 （温度减少）
内能变化： E cV T
22
（4）绝热线与等温线的比较
等温线 斜率
PV C
K等温
dP dV
P V
绝热线 斜率
PV C1
K绝热（P0，V0，T0）斜率之比
K绝热
K等温
K绝热
K等温
P0
V0 P0
V0
P
a 等温
结论：绝热线比等温线陡峭
2
（2）按过程的特性分类:
等容过程： dV = 0 等压过程： dP = 0
等温过程： 绝热过程： 循环过程：
dT = 0 dQ = 0，Q = 0
dE = 0 E终态 = E初态
3
3．过程曲线
P
PV 图上一种点，表达一种平衡状态。
PV 图上一条线，表达一种平衡过程。
V
非平衡态，非平衡过程不能在PV 图上表达！！
V1
V2
V
Q E A 意义： 系统吸取的热量，
dQ
dE
dA
一部分对外作功，一部分 增加本身的内能。
作功： dA PdV d(PV ) d( RT ) RdT
( A)P P(V2 V1 ) R(T2 T1 )
内能增量： dE CV dT
热力学第一定律和第二定律的关系
热力学第一定律和第二定律的关系热力学第一定律和第二定律，这两位“老兄”在物理世界里可谓是相辅相成。
第一定律，简单来说，就是能量守恒。
就像在日常生活中你存了钱，不管怎么花，总有个底线在那儿。
能量也是这样，不能凭空消失，也不会无中生有。
比如你喝了一杯热茶，热量从茶里跑出来，变成了空气里的热量。
喝完茶，温度下降，能量转移，真是个简单明了的道理。
我们可以想象一下，第一定律就像是大自然的一个守财奴，任何能量都得算清楚，不准乱花。
说到这里，第二定律就有点儿不一样了。
它引入了“熵”的概念，听起来是不是有点神秘？熵其实就是无序程度。
就像一个刚收拾好的房间，时间一长，东西就又乱了。
热力学第二定律告诉我们，孤立系统的熵总是增加的。
你总不能指望把一块冰放在阳光底下，它还保持冰的状态吧？最终会融化，变成水，再变成蒸汽，熵在增加。
简单说，生活就像这场戏，最终总会走向无序，怎么都阻止不了。
把这两者放在一起，你会发现它们的关系就像一对欢喜冤家。
第一定律告诉我们能量怎么转移，而第二定律则提醒我们，转移的过程会伴随无序的增加。
比如说，你在煮水的时候，热量从炉子传递到水里，水温上升，这是第一定律在发挥作用。
可随着时间推移，水蒸发了，气体四处扩散，熵就增加了。
这个过程就好比一场热闹的派对，刚开始大家都兴致勃勃，随着时间推移，场面开始变得杂乱，最终大家散场，只留下些零星的气氛。
在现实生活中，我们也常常面临着第一定律和第二定律的挑战。
比如，你想在家里保持整洁，刚打扫完，转身一看，猫就把沙发搞得一团糟。
第一定律告诉你，能量转移是可控的，但第二定律让你明白，无序总是会找上门来。
我们在追求秩序的时候，生活却总是给你制造点小麻烦，让你忍不住笑出声来。
就像一场永无止境的游戏，谁也不能轻言胜利。
实际上，第一定律和第二定律的结合可以让我们更好地理解生活的哲理。
能量的转移和熵的增加，提醒我们要珍惜眼前的一切。
就像一顿美味的晚餐，吃完之后，盘子上的残渣就是熵在作怪。
热力学第一定律和第二定律
热力学第一定律和热力学第二定律通过我们对物理及热力学的学习发现了这样的规律：凡是牵涉到热现象的一切过程都有一定的方向性和不可逆性，例如热量总是从高温物体自发地传向低温物体，而从未看到热量自发地从低温物体传向高温物体，例如当我们拥有一杯热水可以通过等待热水向周围空气散热得到一杯凉水，可是当我们需要这杯凉水重新变成热水时，单纯等待散失到周围空气的热量重新回来却不可能。
又如机械能可以通过摩擦无条件地完全地转化为热量，但是热能无法在单一热源下自发地转换为机械能。
这种自然规律虽然有时候不能如我们所愿，但它对我们意义重大。
可以说是人类在地球上赖以生存的基础。
我们却难以设想传热方向未知状态下的混乱。
我们不知道传热的方向，从而会不知道一杯热水放在环境中会变凉还是会继续升温，何时才能变凉，我们把凉水放在炉子上加热却不知道热量是从凉水传向炉子，还是从炉子传向凉水。
我们会得到热水还是更凉的凉水。
从这个意义上说正如交通红绿灯是交通畅通无阻的保证传热方向规律是自然界热领域中的红绿灯。
热不可能自发地不付代价地从低温物体传至高温物体，这就是克劳修斯说的热力学第二定律不可能制造出从单一热源吸热使之全部转化成为功而不留下其他任何变化的热力发动机这就是开尔文说的热力学第二定律总结热力学第二定律的两种说法的自然过程总是使系统趋于平衡能量从高位趋于低位，存在着不平衡的自然界，无时无刻不发生着这种变化——机械运动产生热量高温物体将热量传向低温物体。
高温物体将热量传向低温物体的过程中又可能产生机械运动。
生命过程、化学过程、核反应过程都伴随着热过程的发生，自然界的运动变化中热现象担任着重要的角色。
生活常识告诉我们冬天冷玻璃杯遇开水会破裂，这些都是物质表现出来的各种热湿现象，由于地球不停地运动和变化，经过漫长的地质年代逐渐在地壳内部积累了巨大的能量。
形成了巨大的应力作用，当大地构造应力或热应力使地壳某些脆弱的地带承受不了，时发生错位或断裂以波的形式传到地面就形成了地震研究火山的学者认为；热是各种地质作用的原始驱动力，火山活动是地球内部热的不均匀性的地表，反映海底的地震和火山喷发可能引起海水中形成巨大的海浪并向外传播。
大学物理第三章热力学第一定律第四章热力学第二定律
B C AD
氮气 氦气
35
B C AD
氮气 氦气
解： 取（A+B）两部分的气体为研究系统， 在外界压缩A部分气体、作功为A的过程 中，系统与外界交换的热量 Q 0
Q E ( A) 0
36
B
氮气
C
AD
氦气
系统内能的变化为
E E A E B
5 E B RTB 2
内能：态函数,系统每个状态都对应着一定内能的数值。 功、热量：只有在状态变化过程中才有意义，状态不 变，无功、热可言。
9
五、热力学第一定律
1. 数学表式 ★ 积分形式 ★ 微分形式
Q E A
dQ dE dA
10
2. 热力学第一定律的物理意义 （1）外界对系统所传递的热量 Q , 一部分用于 系统对外作功，一部分使系统内能增加。 （2）热一律是包括热现象在内的能量转换和守恒 定律。
m i E RT M2
m i i m E RT R T末 T初） （ M2 2M
i dE RdT 2
8
注意 ：
10 作功和传热对改变系统的内能效果是一样的。 （要提高一杯水的温度，可加热，也可搅拌）
20 国际单位制中，功、热、内能单位都是焦耳（J）。 （1卡 = 4.18 焦耳) 30 功和热量都是系统内能变化的量度,但功和热本身不 是内能。
绝热线
斜 率
PV C1
dP K 绝热 dV
P V
26
K 绝热 同一点 P0，V0，T0 斜率之比 （ ） K 等温
P0 K绝热 V0 P0 K等温 V0
P
a
等温
结论：绝热线比等温线陡峭
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热力学是从能量守恒和能量转换的角度来研究热 运动的规律。它不考虑物质内部的微观结构。
研究方法是： 根据观察和实验所总结出的基本规 律（热力学第一定律、热力学第二定律）用逻辑推 理的方法来研究物体的宏观性质以及宏观过程进行 的方向和限度等问题。
• §1.热力学第一定律 • (first low of thermodynamics) • 一.基本概念 • 1.热力学系统 ( thermodynamics system ) • 孤立系统、封闭系统、绝热系统、开放系统 • 2.热力学过程 ( thermodynamics process ) • 观察活塞移动，见图：
可得：
CV
i 2
R
i 的取值？
E C（V T2 T1）
对其他过程是否成立？
二.等压过程（isobaric） 1.过程方程 V 恒量
T
2. A、Q、ΔE 的计算 Q = νCP（TV22 -- T1） ΔE = νCV（T2 -- T1）
A PdV P(V2 V1) R(T2 T1) V1
由： Q A E 得：CP CV R
三.等温过程（isothermaΔE 的计算
V2
A pdV
V2
RT
dV
RT n V2
V1
V1
V
V1
∵ ΔT = 0 ∴ ΔE = 0
Q = A = νRTlnV2/V1 等温过程 Cmol=?
四.绝热过程
1. A、Q、ΔE 的计算
Q ＞0 →吸热 A＞0 → 系统作功
Q ＜ 0 → 放热 A ＜ 0 → 外界作功
§2 热力学第一定律对理想气体的应用
一.等容过程 (isometric process)
1.过程方程： P 常数 T
2. A、Q、ΔU 的计算
∵ ΔV = 0 ∴ A = 0
Q = νCV（T2—T1）
而： Q = A + ΔE = ΔE
η A净 Q1 Q2 1 Q2
Q1
Q1
Q1
由于Q2不为零，Q1不能为无穷大， ∴η＜1
二 卡诺循环
准静态卡诺循环：由两个等温 过程和两个绝热过程组成的循 环过程。 ①1→2等温膨胀过程
Q1
A
M
RT1 ln
V2 V1
② 2→3绝热过程
ΔU = 0
VT VT
③ 3→4等温压缩过程
Q=0
A = - ΔE = -νCV（T2 - T1）
2.过程方程
dE =νCvdT = - dA= - P dV PdV + Vdp =νRdT
（1） （2）
联立（1）（2）得
（CV+ R）PdV = - CVVdp
得：
CpPdV = - CVVdp
令 C p 泊松比 则有 dV dp 0
V1
s
p
dx
• A＞0——系统对外作功 A＜0——外界对系统作功 （2）几何意义：P—V 图,AB为某一热力学过程。
红色区域的面积：
dS pdV dA
曲线下总面积：
V2
S pdV A
V1
可由面积求功。
系统从状态a（P1V1）经不同的过程到达状态
b（P2V2），系统对外界所作的功是不同的。
活塞速度很小（趋近于 零）和较大时气体状态 变化有何不同？
V→0，过程中的每一时刻气体能重新达到新的平 衡态——准静态过程 特点：每一时刻均有确定的状态参量。 P—V图示：
二.功、热量、内能 1.功 ( work ) （1）气体作功的计算，压力功， 见图
dA Fdx pSdx
pdV
V2
A pdV
等温过程： A2
等压过程：
E2 0
Q2 RT2 ln
A3 p3(V4 V3)
V3 823J V 2374J
Q3 C p (T4 T3) 1310J
A = A1 + A2 + A3 = 449 J ΔE = Q － A = 312 J
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 761 J
§7.3循环过程 卡诺循环
一 循环过程
1 热机的工作原理
以蒸汽机为例 特点：
① 工作物质（水蒸汽、
液态水）
热量的形式放到一个温
② 工作物质从外界吸 度较低的冷凝器里去。
热，增加内能，一部分
对外作功
④ 以上过程循环不已
地进行
③ 工作物质要回到原来
状态，内能的另一部分以
2 定义：如果一系统从某一状态出发，经过任意的 一系列过程，最后又回到原来的状态，则称此一 系列过程为循环过程。
CV
VP
解得 PV 常数 由 PV RT
可得 T V 1 常数
P 1T 常数
3.绝热线与等温线 如何判别绝热线与等温线？
绝热线 等温线
绝热线较陡
例题 :m = 2.8×10-3 kg p = 1atm t = 270c 氮气，
经历如图所示的过程，V4 = ½ V3，求整个过程的
内能的变化，功，热量。( Cv = 2.5R )
3 正循环及循环效率
规定：顺时针循环→正循环
ABCDA
热机
逆时针循环→逆循环
ADCBA 致冷机或热泵
分析正循环和逆循环的特点。
正循环： 体积膨胀 系统对外作功。 A= ?
逆循环： 体积压缩，系统对外作负功。
整个过程： ΔE = 0
由能量守恒： A净=Q 净= Q1－│Q2│
循环效率： A净
Q1
解：P—V 图示
p
求出各状态的参量
3
V1
RT1 p1
= 2.46 x 10-3m3
2 1
o
v1 v4 v3
V
T2
p2V2
R
900K
V3
RT3 p3
7.38103 m3
T4
p4V4
R
450K
E4 － E1 = νCV(T4－T1) = 312J
等容过程： A1 = 0
Q1 E1 CV (T2 T1) 1248J
p a
adb过程的功
b acb过程的功
o
v
功是过程量而不是状态量
• 2.热量Q ( quantity of heat )
• 计算公式：Q = cm（T2 － T1）=νCmol（T2－T1）
Cmol——摩尔热容量：单位摩尔质量的气体温度改 变一度所吸收或放出的热量。
dQ Cmol dT
Cmol、Q均与过程有关，是过程量。
3.内能——分子热运动能量的总和。
理想气体：
E i RT
仅与状态有关
2
内能的变化：E
i 2
ν(T2
T1 )
与过程无关。
三 .热力学第一定律
1.定律：设系统从Ⅰ态→Ⅱ态，作功A，吸热Q，
内能变化ΔU，则有：
Q = A + ΔE
能量守恒方程
无限小过程：dQ = dA + dE
2. Q、A 正负的约定