The first law of thermodynamics 热力学第一定律
(精品)工程热力学课件：热力学第一定律
恒定流量
流过系统任何断面的质量相等
m1 m2 m
恒定参数
进入的能量与离开的能量相等
dEcv 0
开口系统稳态稳流能量方程
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
稳态稳流 m1 m2 m
dEcv 0
Q
(h2
1 2
c22
gz2
)
m
(h1
( Q W ) ( Q W ) 0
1b 2
2 c1
( Q W ) ( Q W )
1a 2
1b 2
p1
b
a c
2
V
与路径无关
用dU表示
是某状态函数的全微分
热力学能的物理意义
dU = Q - W
Q
W
dU 代表某微元过程中系统通过边界交换 的微热量与微功量两者之差值，也即系统内 部能量的变化。
气轮机 1.5MPa 320℃
0.6m3
例题
大储气罐蒸汽状态稳定，管道
气轮机
内的蒸汽量可忽略。 绝热，忽略动、位能，没有质
1.5MPa 320℃
0.6m3
量流出。
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
2
2
2
1 dEcv 1 h1 m1 1 Ws
Q
2
可逆过程的技术功
w ( pv) wt
w d ( pv) wt
可逆过程 pdv d ( pv) wt
热力学第一定律2010
热
失去nRTlnv2 /v1 得到nRTlnv2 /v1
准静态压缩
失去nRTlnv2 /v1
经过一个循环过程之后，环境功和 热回到原态，是可逆过程。
恒外压膨胀 P1 V1 T1 恒外压压缩 P2 V2 T1
对于体系而言，经过恒外压膨胀和压缩后，体系回 到原态，下面我们来看环境功和热的变化。
For Example 1mol液态水在373K及101325Pa下蒸发,试计算 此过程的体积功. 1)已知该条件下,水蒸气的比体积为1677cm3/g,水 的比体积为1.043cm3/g. 2)略去液态水的体积,蒸气视为理想气体. 计算并比较第二种省略是否合理.
功(work)—除了热以外，在系统与环境之间 其它形式的能量传递称为“功”.用符号W 表示。
W，系统对环境作功 -，环境对系统作功 +
注意： 热和功不是状态性质，它们与途径有关 热和功的微小变化分别用δQ，δW 表示
7. 内能 U 体系的能量是有下列三部分组成的 1)体系整体运动的动能 (kinetic energy)
功
恒外压膨胀
得到p2(v2 –v1) 失去p1(v2 –v1)
热
失去p2(v2 –v1)
恒外压压缩
得到p1(v2 –v1)
经过一个循环过程之后，环境功和 热没有回到原态，不是可逆过程。
可逆过程的特点： 1. 推动力与阻力相差无限小,体系与环境始 终无限接近于平衡态.完成该过程需无限 长时间.
2.过程中的任何一个中间态都可以从正、逆 两个方向到达. 3.体系变化一个循环后，体系和环境均恢复原 态. 4. 在定温的可逆过程中，系统对环境所作之功 为最大功；环境对系统所作之功为最小功。
03 热力学第一定律
u cv T v
对于理想气体：
第三节
采用定值比热容计算： 采用平均比热容计算：
闭口系统能量方程式
由理想气体组成的混合气体的内能等于组成气体内能之和： U U1 U 2 U n U i
i 1 n
mu mi ui
Q1 2 (U 2 U1 ) W1 2
对1kg工质，有：
Q dU pdV
Q12 (U 2 U1 ) pdV
1 2
q du w
q1 2 (u2 u1 ) w1 2
q du pdv
q12 (u2 u1 ) pdv
进入控制体的能量 1 2 Q (h1 c1 gz1 ) m1 离开控制体的能量
1 2 Ws (h2 c2 gz2 ) m2 2
2
控制体储存能变化：
dEcv ( E dE)cv Ecv
根据热力学第一定律建立能量方程
1 2 1 2 Q (h1 c1 gz1 ) m1 (h2 c2 gz2 ) m2 Ws dEcv 2 2 1 2 1 2 Q (h2 c2 gz2 ) m2 (h1 c1 gz1 ) m1 Ws dEcv 2 2
各种“功”的关系与区别
1.膨胀功（容积功）：压力作用下，工质的容积发生变化而传递的机械功
w pdv
2.流动功：推动流体通过控制界面而传递的机械功 流动净功：推动1kg工质进、出控制体所必须的功
w f p2 v2 p1v1
3.轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功
wf p v
ws
3.技术功：热力过程中可被直接利用来作功的能量，统称为技术功
热力学第一定律
3）状态函数的变化值，只取决于体系的始、末状态， 而与变化时所经历的途径无关。 途径 2
途径 1
状态 1 (T1，p1)
状态2 (T2，p2)
4）无论经过多么复杂的变化，体系经过一循环后复 原，而增量为0。∮dz=0。 5）状态函数是一些单值、单调函数。它与状态是一 一对应关系，状态确定了，所有的状态函数也就确 定了。
U U dU dT dV T V V T
U=U(T, p)
U U dU dp dT T p p T
U U T V T p
T1
热源
系统 热源
T2
T1 T2’
冷却过程：系统放热Q<0 低温热源吸热-Q
冷却后系统复原， Q= 0，但高温热源放热了，低温热源 吸热了，环境没有复原。故为不可逆过程。
35
可逆传热过程 T1 , p 系统 热源 T1 T1 T1+dT T1+2dT
恒压加热
T2 , p T2 T2
……
当系统回原来状态时，整个环境，即所有 热源也回复到原状态。故为可逆过程。
（2 ） 热 系统与环境因温度不同而交换的能量称为热。用 符号Q表示。 符号规定：若系统从环境吸热 Q>0 若系统向环境放热 Q<0 热是途径函数，微量热记作Q
24
显热 单纯pVT变化时，系统吸收或放出的热 热 潜热 相变时，T不变，系统吸收或放出的热 反应热 概念题： 煤含有多少热量，这句话是否正确？ 化学反应时，系统吸收或放出的热
2) 力平衡 force equilibrium:系统各部分p相同;
3) 相平衡 phase equilibrium:多相共存时，各相组
热力学第一定律TheFirstLawofThermodynamics
卡诺循环热机效率 Thermal efficiency of Carnot Cycle
Applying first law,
t
w q1
q1 q2 1 q2
q1
q1
卡诺循环热机效率
T1 q1
Rc w q2
T2
摩擦生热 电容－电阻电路
U2=U1+mc2/2 U1=U2+mc2/2
自发过程的方向性
(Direction of Spontaneous Process)
自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。
Such as (例如：) a. heat transfer driven by finite temperature
空调,制冷
(Air-Conditioning, Refrigerating)
代价：耗功
(Cost: Energy Consumption)
热量不可能自发地、不付代价地从低温物体 传至高温物体。
2. 开尔文－普朗克表述 Kelvin－Planck Statement
不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用 功而不产生其它变化。
Transfer heat from low temperature reservoir to high temperature ones is possible. However it will leave influence on environment.
(从低温物体向高温物体的传热过程是可以实现的,但会 给环境造成一定影响)
（第五章 热力学第二定律）
5.1自发过程的方向性） The Direction of Spontaneous Process
第18章 热力学第一定律
22
结果为正,表示气体从外界吸了热。得 气体内能增加了1.90×105J。 对于a→2的等压过程
∆E)1a =νCV ,m (Ta −T ) = Q a =1.90×105 ( J ) ( 1 1
Aa2 = ∫ pdV = p2 (V2 −V ) = −0.81×105 ( J ) 1
V2 V 1
等温过程中气体对外做功 等温过程 V2 V2 ν RT V2 dV =ν RT ln A = ∫ pdV = ∫ V V 1 1 V V 1 说明等温膨胀过程(V2>V1)时,气体对外界做正 功;等温压缩(V2<V1)时, 外界对气体做功。 12
理想气体的内能公式 i E = ν RT 2 等温过程中,由于温度T不变,∆E=0,根据热力 学第一定律可得气体从外界吸收的热量为 V2 Q = ∆E + A = A =ν RT ln V 1 此结果说明，气体膨胀时，Q>0,气体从外界 吸热;气体等温压缩时,Q<0,气体对外界放热。
负号表示气体内能减少了0.13×105J.
5 5
Q =∆E + A =−0.13×10 −0.51×10 =−0.64×10 ( J )
5
是气体向外界放了热。
26
18.4 绝热过程
如果系统在整个过程中始终不和外界交换热 则这种过程称为绝热过程。 量，则这种过程称为绝热过程。
1. 准静态绝热过程
特征： 特征：dQ=0，Q=0 ， 过程方程：由 过程方程 由 pV=νRT 全微分 pdV+Vdp=νRdT （1） ） 由热一律 dQ=νCVdT+pdV=0 （2） ） 消去dT （1）（2）联立 得 消去 ） ）
等温线 绝热线
p
第一章热力学第一定律(Thefirstlawofthermodynamics)
容等表示.
★说明:(1)状态函数增量只与系统的始末态有关,与变化途径无关;
(2)热与功是两个过程函数，其值与变化途径密切相关。 途径不同，系统与环境之间功和热的交换也不一样。
2019/4/4 工科化学（1）课件 安徽理工大学化工系 倪惠琼 制作 13
根据过程进行的特定条件，过程分为： （1）等温过程(isothermal process) T1= T2= T环
摩尔值应为强度性质。
三、状态与状态函数
系统所有性质的综合表现称为系统的状态
系统的各宏观物理性质（如温度、压力、体积等
）均为状态的函数，称为状态函数，又称为系统的 热力学性质。
2019/4/4 工科化学（1）课件 安徽理工大学化工系 倪惠琼 制作 9
状态函数的特点
（1）定态有定值。（与其历史和达到该状态的历程无关） （2）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表 示，如dp、dV、dT等；
2019/4/4
10
四、热力学平衡状态
（equilibrium state of thermodynamics)
如果处在一定环境条件下的系统，其所有的性质均不 随时间而变化，而且当此系统与环境的一切联系均被隔离 后，也不会引起系统任何性质的变化，则称该系统处于热 力学平衡状态。
处于热力学平衡的系统必须同时满足下列平衡：
利用热力学第一定律计算变化中的热效应，利用热力 学第二定律解决各种物理化学过程变化的方向和限度问题 ，以及与相平衡、化学平衡、电化学、表面现象和胶体化 学中的有关基础理论问题。
5、有限粒子和极大量的粒子的性质从最初的量 变发展到质变。
2019/4/4
工科化学（1）课件 安徽理工大学化工系 倪惠琼 制作
热力学第一定律
热力学第一定律科技名词定义中文名称：热力学第一定律英文名称：first law of thermodynamics其他名称：能量守恒和转换定律定义：热力系内物质的能量可以传递，其形式可以转换，在转换和传递过程中各种形式能源的总量保持不变。
概述热力学第一定律热力学第一定律：△U=Q+W。
系统在过程中能量的变化关系英文翻译：the first law of thermodynamics简单解释在热力学中，系统发生变化时，设与环境之间交换的热为Q（吸热为正，放热为负），与环境交换的功为W（对外做功为负，外界对物体做功为正），可得热力学能（亦称内能）的变化为ΔU = Q+ W或ΔU=Q-W物理中普遍使用第一种，而化学中通常是说系统对外做功，故会用后一种。
定义自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。
英文翻译：The first explicit statement of the first law of thermodynamics, byRudolf Clausiusin 1850, referred to cyclic thermodynamic processes "In all cases in which work is produced by the agency of heat, a quantity of heat is consumed which is proportional to the work done; and conversely, by the expenditure of an equal quantity of work an equal quantity of heat is produced."基本内容能量是永恒的，不会被制造出来，也不会被消灭。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
The first law of thermodynamics 热力学第一定律
（20）Thermodynamics is a macroscopic science, and at its most fundamental level, is the study of two physical quantities, energy and entropy. Energy may be regarded as the capacity to do work, whilst entropy maybe regarded as a measure of the disorder of a system. Thermodynamics is particularly concerned with the interconversion of energy as heat and work.
热力学是一门宏观的科学，它在最基本的水平上对能量和熵两个物理量进行了研究。
能量可以认为是做功的能力，而熵是一个体系混乱度的测量。
能量以热和功的形式所进行的相互转变是热力学特别关心的。
In the chemical context, the relationships between these properties may be regarded as the driving forces behind chemical reactions. Since energy is either released or taken in by all chemical and biochemical processes, thermodynamics enables the prediction of whether a reaction may occur or not without need to consider the nature of matter itself.
在化学范围中，这些性质之间相互关系可以认为是化学反应的驱动力。
因为在所有化学和生物化学过程中，能量要么被释放，要么被吸入。
热力学可以预言一个反应能否发生而不需考虑物质本身的性质。
Consideration of the energetics of a reaction is only one part of the story. Thermodynamics determines the potential for chemical change, not the rate of chemical change---that is the domain of chemical kinetics.
考虑反应的动能学仅仅是研究化学反应的一部分。
热力学决定了一个化学变化的潜能，而不是化学变化的速度，即化学变化是动力学研究的范围
Internal energy内能
（21）A fundamental parameter in thermodynamics is the internal energy denoted as U. This is the total amount of energy in a system, irrespective of how that energy is stored. Internal energy is the sum total of all kinetic and potential energy within the system.
内能是动力学的一个基本参数，用U表示。
它是体系的总能量，与能量的储存方式无关。
内能是体系内所有动能和势能的总和。
（22）Work is the transfer of energy as orderly motion. In mechanical terms, work is due to energy being expended against an opposing force. The total work is equal to the product of the force and the distance moved against it. Work in chemical or biological system generally manifests itself in only a limited number of forms. Those most commonly encountered are pressure-volume (PV) work and electrical work.
功是有序运动所引起的能量转移。
按物理学的术语，功是对抗相反的力所消耗的能量。
总的功等于力和对抗该力所移动的距离的乘积。
在化学和生物体系中，功以有限的形式显示。
最常碰到的功是压力-体积功（PV）和电功。
（23）Heat is the transfer of energy as disorderly motion as the result of a temperature difference between system and its surroundings. When energy is put into a system, there is usually a corresponding rise in the temperature of that system. Assuming that the energy is put in only as heat, then the rise in temperature of a system is proportional to the amount of heat which is input into it.
热是由于体系与环境之间的温差造成的无序运动引起的能量转移。
当能量输入一个体系时，体系的温度通常相应会升高。
加入一个体系仅仅以热得形式输入，那么一个体系升高的温度与输入的热量成正比。
The first law
（24）The first law of thermodynamics states that “The total energy of an isolated thermodynamic system is constant”. The law is often referred to as the conservation of energy, and implies the popular interpretation of the first law, namely that “energy cannot be created or destroyed”. In other words, energy may be lost from a system in only ways, either as work or as heat. As a result of this, it is possible to describe a change in the total internal energy as the sum of energy lost or gained as work and heat, since U cannot change in any other way. Thus, for a finite change: △U=Q+W. Where Q is the heat supplied to the system, and W is the work done on the system.
热力学第一定律认为“孤立的热力学体系的总能是恒定的”。
这一定律通常认为是能量守恒定律，它表达了第一定律的通俗解释，即“能量既不能被创造，也不能被消灭”。
换句话说，能量只能以两种方式，功或热得方式，从一个体系中失去。
因此，以失去或得到的功和热得能量的总和来描述总能的改变时可行的。
因为U不能以别的形式改变。
因此，内能的有限形式的改变为：△U=Q+W。
其中Q是提供该体系的热，而W是对体系所做的功。