普通物理学第五版7-1热力学第一定律
物理学中的热力学第一定律
物理学中的热力学第一定律热力学是物理学中一个重要的分支领域，主要研究物质的热力学性质和能量转换规律。
热力学第一定律是热力学中最基本的定律之一，也被称为能量守恒定律。
本文将介绍热力学第一定律的基本概念和应用。
一、热力学第一定律的基本概念热力学第一定律是关于能量转化和守恒的重要规律。
它表明在任何一个封闭系统中，能量的总增量等于系统对外做功与系统吸收的热量之和。
简单来说，能量不可能从“无中生有”，也不可能消失于“无中”。
能量只能从一种形式转化为另一种形式，其总量保持不变。
二、能量转化的过程热力学第一定律指出能量的转化过程，主要包括以下几个方面：1. 系统吸收热量，增加内能：当一个系统吸收热量时，其内能会增加。
内能是系统微观粒子热运动的总和，吸收热量会增强粒子的热运动。
2. 系统对外做功，减少内能：当一个系统对外做功时，它的内能会减少。
系统通过对外界施加力或移动物体来做功，从而减少内能。
3. 热传递与能量转化：能量可以通过热传递的方式在物体之间转化。
热传递是指热从高温物体传递到低温物体的过程，高温物体的内能减少，而低温物体的内能增加。
三、热力学第一定律的数学表达热力学第一定律可以用数学公式来表示。
假设一个系统在某一时刻的内能为U，同时对外做功为W，吸收的热量为Q，则热力学第一定律可以表示为：△U = Q - W其中，△U表示内能的增量。
根据定义，内能的增量等于内能的终值减去内能的初值。
若系统对外做正功，则W为正；若系统吸收的热量为正，则Q为正。
四、热力学第一定律的应用热力学第一定律在各个领域都有广泛应用，以下以几个典型的应用为例进行介绍。
1. 热机工作原理：热力学第一定律揭示了热机的工作原理。
热机根据能量转化的规律，将热能转化为机械能，如汽车发动机、蒸汽机等。
2. 热传导：热力学第一定律在研究传热问题中具有重要意义。
根据热传导定律，热量会自热量高的物体传递到热量低的物体，热力学第一定律可以解释热传导现象的能量转换。
物理化学热力学第一定律总结
物理化学热力学第一定律总结热力学第一定律是热力学中最基本的定律之一，并且与能量守恒原理密切相关。
它陈述了一个闭合系统内部的能量转换过程。
根据热力学第一定律，能量是不能从真空中产生的，也不能消失，它只能在系统内部进行转化。
该定律可以用以下公式表达：ΔU=Q-W其中，ΔU表示系统内部能量的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外界做的功。
这个公式说明了能量的守恒，即系统吸收的热量和对外界做的功之和等于系统内部能量的变化。
当系统从外界吸收热量时，其内部能量会增加，而当系统对外界做功时，其内部能量会减少。
这种能量的转化是一个相互依存的过程，可以通过热力学第一定律进行描述。
热力学第一定律的应用十分广泛，并且在实际问题中具有重要的意义。
以下是热力学第一定律在不同领域的应用：1.在化学反应中，热力学第一定律可以用来计算反应的焓变。
通过测量反应前后系统吸收或释放的热量，可以计算出反应的焓变，从而了解反应的能量转化和方向。
2.在工程领域，热力学第一定律常用于能量转换设备的设计和优化中。
例如，蒸汽轮机、内燃机和制冷机等能量转换系统的效率可以通过热力学第一定律进行评估和计算。
3.在生物学领域，热力学第一定律可以用于研究生物体内的能量转化过程。
例如，通过测量生物体吸收的热量和对外界做的功，可以计算出生物代谢的能量转换效率。
热力学第一定律的重要性在于揭示了能量守恒的基本原理，为能量转化和能量利用提供了基础理论支持。
它对于研究和解决实际问题具有重要指导意义。
热力学第一定律的应用可以帮助我们评估能量转换过程的效率，优化能量利用方式，并促进可持续发展。
总之，物理化学热力学第一定律表述了能量守恒的原则，描述了能量转化和能量守恒的过程。
它在化学、工程、生物等领域具有广泛的应用，并对能量转换和利用提供了理论支持。
热力学第一定律的理解和应用可以帮助我们更好地理解能量转换过程，优化能量利用方式，并实现可持续发展的目标。
热力学第一定律 课件
一、热力学第一定律
1.一个物体，它既没有吸收热量也没有 放出热量，那么：
①如果外界做的功为Ｗ，则它的内能 如何变化？变化了多少？
②如果物体对外界做的功为Ｗ，则它 的内能如何变化？变化了多少？
2.一个物体，如果外界既没有对物体 做功，物体也没有对外界做功，那么：
①如果物体吸收热量Ｑ，它的内能如 何变化？变化了多少？
②如果放出热量Ｑ，它的内能如何变 化？变化了多少？
3.如果物体在跟外界同时发 生做功和热传递的过程中， 内能的变化ΔU与热量Ｑ及 做的功Ｗ之间又有什么关系 呢？
1.一个物体，如果它既没有 吸收热量也没有放出热量， 那么，外界对它做多少功， 它的内能就增加多少；物 体对外界做多少功，它的 内能就减少多少.
四、能量守恒定律
演示柴油机的工作过程
用热力学第一定律解释柴油机正常工 作时压燃的原理
能活量塞既压不缩会气凭体空，产活生塞对，气也体不做会功凭，空由消于 失时，间很它短只，能散从热一可种以形不式计转，机化械为能另转一化种为 形体气可；式体“的点在，内燃转或能”化者，柴和从温油转一度。移个升过物高程体，中转达到其移柴总到油量别燃不的点变物，， 这就是能量守恒定律.
六、总结 1、热力学第一定律： ΔU = W + Q 2、能量守恒定律：
能量既不会凭空产生，也不会凭空消 失，它只能从一种形式转化为另一种 形式，或者从一个物体转移到别的物 体；在转化和转移过程中其总量不变， 这就是能量守恒定律.
五、永动机不可能制成
永动机：不消耗任何能量，却可以源 源不断地对外做功，这种机器叫永动 机.人们把这种不消耗能量的永动机叫 第一类永动机.（不吃草的马）
P68图10.3-1
根据能量守恒定律，任何一部机器，
普通物理学第五版7-1热力学第一定律
A
P
1
2
dA
V2
PdV
O
V1
V2
V
准静态过程（状态1到状态2） 气体对外界做功与过程有关。
A
V2
pdV
V1
功、热量、内能
（2）表面张力的功 在长方形铁丝框架上张有液体薄膜，表面上 单位长度直线两侧液面的相互拉力叫表面张力系 数，用 表示。 b b 液体薄膜有两个表面， ab 受到的张力为 l F dx F 2l 液体薄膜从 a´b´ 收 缩到ab 时，表面张力做功 为 dA F dx 2ldx dS
热力学过程
例1：外界对系统做功
u
过程无限缓慢，无摩擦。 非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛豫时间， 约 10 -3 秒 ，如果实际压缩一次所用时间为 1 秒， 就可以说是准静态过程。
外界压强总比系统压强大一小量△P ，就可以 缓慢压缩。
热力学过程
例2：系统（初始温度 T1）从 外界吸热
系统T1
从 T1 到 T2 是准静态过程
第七章 热力学基础
7-1 热力学第一定律
§7-1 热力学第一定律 1. 热力学过程
热力学系统：在热力学中，一般把所研究的 物体或物体体分子 的集合或固体中的分子集合。
热力学过程：热力学系统（大量微观粒子组 成的气体、固体、液体）状态随时间变化的过程。
热力学过程
非静态过程
当系统宏观变化比弛豫更快时，这个过程中每一 状态都是非平衡态。 系统从平衡态1到平衡态 2，经过一个过程,平 衡态 1 必首先被破坏，系统变为非平衡态，从非平 衡态到新的平衡态所需的时间为弛豫时间。
准静态过程
热力学第一定律ppt课件
始时弹簧处于原长，三部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电
阻丝对f中的气体缓慢加热，停止加热并达到稳定后（
）
A．h中的气体内能增加
B．f与g中的气体温度相等
C．f与h中的气体温度相等
D．f与h中的气体压强相等
6、如图，一竖直放置的汽缸上端开口，汽缸壁内有卡口a和b，a、b间距
1840年在英国皇家学会上宣布了电流通
过导体产生热量的定律，即焦耳定律。
焦耳测量了热与机械功之间的当量关系—
焦耳
—热功当量，为热力学第一定律和能量守
恒定律的建立奠定了实验基础。
焦耳的实验
绝热过程
系统只通过对外界做功或外界对它做功而与外界交换能量，它
不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程。
为h，a距缸底的高度为H；活塞只能在a、b间移动，其下方密封有一定质
量的理想气体。已知活塞质量为m，面积为S，厚度可忽略；活塞和汽缸
壁均绝热，不计它们之间的摩擦。开始时活塞处于静止状态，上、下方气
体压强均为p0，温度均为T0。现用电热丝缓慢加热汽缸中的气体，直至活
塞刚好到达b处。求此时汽缸内气体的温度以及在此过程中气体对外所做
增加，A 项正确；ab 过程发生等容变化，气体对外界不做功，
C 项错误；一定质量的理想气体内能仅由温度决定，bc 过程发
的功。（重力加速度大小为g）
7、如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，下列
说法正确的有(
)
A．外界对气体做功
B．气体对外界做功
√
C．气体向外界放热
D．气体从外界吸热
√
BD
热力学第一定律 课件
(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即 ΔU=0,则 W+Q=0 或 W=-Q,
外界对物体做的功等于物体放出的热量。
4.判断是否做功的方法
一般情况下外界对物体做功与否,需看物体的体积是否变化。
(1)若物体体积增大,表明物体对外界做功,W<0;
(2)若物体体积变小,表明外界对物体做功,W>0。
为另一种形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能
量的总量保持不变。
2.意义
(1)能量守恒定律告诉我们,各种形式的能量可以相互转化。
(2)各种互不相关的物理现象——力学的、热学的、电学的、磁学的、
光学的、化学的、生物学的等可以用能量守恒定律联系在一起。
三、永动机不可能制成
1.第一类永动机:人们设想中的不需要任何动力或燃料,却能不断地对
提示前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等
能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等,但是不消耗任何能量
的汽车不可能制成,因为它违背能量守恒定律。
2.热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系?
提示能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程,总能量保
持不变,它包括各个领域,其范围广泛。热力学第一定律是物体内能与其他
(2)突破了人们关于物质运动的认识范围,从本质上表明了各种运动形
式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍,它是物
理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与细胞学说、生物进化论
并称 19 世纪自然科学中三大发现,其重要意义由此可见。
(3)具有重大实践意义,即彻底粉碎了永动机的幻想。
外做功的机器。
2.第一类永动机不可制成的原因:违背了能量守恒定律。
热力学第一定律。zq(北邮)
热容量： 热容量： M C比 摩尔热容： 摩尔热容：
Cm=Mmol.c
（J⋅mol -1 ⋅ K-1) ⋅
一、 定容摩尔热容
CV dQ V = dT
等容过程， 摩尔 等容过程，1摩尔 物质温度升高1K 物质温度升高 时所吸收的热量
M QV = CV ( T2 − T1 ) M mol
Q＝∆内E＋A 系 外 系
界 传 给 统 热 量 能 增 量 统 对 外
包括热现象 的能量守恒
作 功
P、V、T 、 、
： 到的= 到的 的+ 的
dQ＝dE＋ dA
的
第一 能 动 现
7-3 气体的摩尔热容量 热容量： 热容量：
dQ C= dT
（J⋅K-1) ⋅
∆ (1) 计算传热： 计算传热： Q=∆E+A Q= MC比(T2-T1) (2)
P
Cp Cv
1
A
2
0
V
*四、 多方过程 四
气体的许多过程，既不是等值过程， 气体的许多过程，既不是等值过程，也不是 绝热过程，其压力和体积的关系满足： 绝热过程，其压力和体积的关系满足： PVn =常量 （n为多方指数） 为多方指数） 常量 为多方指数
n =1 — 等温过程； n = γ — 绝热过程； 等温过程； 绝热过程； n= 0 — 等压过程； n = ∞—等体过程 等压过程； 等体过程
−γ
.
(4)
P
γ－1
T
＝ const .
(5 )
说明： 说明：
）、（4）、 式称为绝热 （3）、（ ）、 式称为绝热 ）、（ ）、(5)式称为 方程，但式中的各常数不相同。 方程，但式中的各常数不相同。
热力学第一定律 课件
1．不同形式的能量之间可以相互转化． (1)各种运动形式都有对应的能，如机械运动对应机 械能，分子热运动对应内能等． (2)不同形式的能量之间可以相互转化，如“摩擦生 热”机械能转化为内能，“电炉取热”电能转化为内能 等．
2．能量守恒定律及意义． 各种不同形式的能之间相互转化时保持总量不变． 意义：一切物理过程都适用，比机械能守恒定律更 普遍，是 19 世纪自然科学的三大发现之一．
2．判断是否做功的方法． 一般情况下外界对系统做功与否，需看系统的体积 是否变化． (1)若系统体积增大，表明系统对外界做功，W<0； (2)若系统体积变小，表明外界对系统做功，W>0.
【典例 2】 一定量的理想气体在某一过程中，从外 界吸收热量 2.5×104 J，气体对外界做功 1.0×104 J，则 该理想气体的( )
1．对热力学第一定律的理解． (1)对ΔU＝W＋Q 的理解：做功和热传递都可以改变 内能，如果系统跟外界同时发生做功和热传递的过程， 那么外界对系统所做的功 W 加上物体从外界吸收的热量 Q 等于系统内能的增加ΔU，即ΔU＝Q＋W.
(2)对ΔU、Q、W 符号的规定． ①功 W：外界对系统做功，W>0，即 W 为正值； 系统对外界做功，W<0，即 W 为负值． ②热量 Q：系统吸热为正：Q>0； 系统放热为负：Q<0. ③内能变化：系统内能增加，ΔU>0，即ΔU 为正值； 系统内能减少，ΔU<0，即ΔU 为负值．
解析：根据太阳能的工作原理可知，太阳能热水器把 太阳能转化为内能，所以 A 正确；风力发电是通过电磁 感应将风能转化为电能，所以 B 正确；电风扇是将电能 转化为机械能，所以 C 正确；蜡烛燃烧是将化学能转化 为内能，所以 D 错误．本题选择错误的，故选 D.
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A I (V1 V2 )t
(V1 V2 )
2
t I Rt
2
功、热、内能
（4）热量
系统和外界温度不同，就会传热，或称能量交 换，热量传递可以改变系统的状态。 微观功：通过分子的无规则运动来完成的能 量交换称为微观功。 做功、传热都是过程量。
功、热量、内能
（5）内能 热力学系统在一定的状态下，具有一定的能 量，称为热力学系统的内能。 内能的变化只决定于初末两个状态，与所经 历的过程无关，即内能是系统状态的单值函数。 若不考虑分子内部结构，系统的内能就是系 统中所有分子的热运动能量和分子间相互作用的 势能的总和。
3. 热力学第一定律
Q ( E 2 E 1) A E A
上式就是热力学第一定律，是包含热量在内的能 量守恒定律。 Q 0 系统从外界吸热；
Q0
系统向外界放热； 系统对外界做功； 外界对系统做功； 系统内能增加；
A0 A0 E 0 E 0
系统内能减少。
热力学第一定律
对微小的状态变化过程
dQ dE dA
热力学第一定律适用于任何热力学系统 所进行的任意过程。
热力学第一定律
对微小的状态变化过程
dQ dE dA
热力学第一定律适用于任何热力学系统 所进行的任意过程。
第七章 热力学基础
7-1 热力学第一定律
§7-1 热力学第一定律 1. 热力学过程
热力学系统：在热力学中，一般把所研究的 物体或物体组称为热力学系统，简称系统。
如容器中的气体分子集合或溶液中液体分子 的集合或固体中的分子集合。
热力学过程：热力学系统（大量微观粒子组 成的气体、固体、液体）状态随时间变化的过程。
T为小量
T1+△T
T1+2△T
T1+3△T
T2
因为状态图中任何一点都代表系统的一个 平衡态，故准静态过程可以用系统的状态图， 如P-V图（或P-T图，V-T图）中一条曲线表示, 反之亦如此。
2. 功 热量 内能
（1）流体体积变化所做的功 以气体膨胀过程为例： 气体对外界作元功为：
F
dl
u
dA Fdl pSdl pdV
热力学过程
例1：外界对系统做功
u
过程无限缓慢，无摩擦。 非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛豫时间， 约 10 -3 秒 ，如果实际压缩一次所用时间为 1 秒， 就可以说是准静态过程。
外界压强总比系统压强大一小量△P ，就可以 缓慢压缩。
热力学过程
例2：系统（初始温度 T1）从 外界吸热
系统T1
从 T1 到 T2 是准静态过程
a
a
功、热量、内能
（3）电流的功 一段电阻为R的导线AB，两端电势差为V1V2, 电流为I ,则t 时间内，流过任意截面的电荷量为 q It 电场力的功为 A q (V1 V2 ) It (V1 V2 )
由欧姆定律知
R 宏观功：通过宏观的有规则运动（如机械运 动、电流运动）来完成的能量交换 统称宏观功。
热力学过程
非静态过程
当系统宏观变化比弛豫更快时，这个过程中每一 状态都是非平衡态。 系统从平衡态1到平衡态 2，经过一个过程,平 衡态 1 必首先被破坏，系统变为非平衡态，从非平 衡态到新的平衡态所需的时间为弛豫时间。
准静态过程
在过程中每一时刻，系统都处于平衡态，这是 一种理想过程。 当系统弛豫比宏观变化快得多时，这个过程中 每一状态都可近似看作平衡态，该过程就可认为是 准静态过程。
准静态过程（状态1到状态2）气 体对外界做功：
A
P
1
2
dA
V2
PdV
O
V1
V2
V
准静态过程（状态1到状态2） 气体对外界做功与过程有关。
A
V2
pdV
V1
功、热量、内能
（2）表面张力的功 在长方形铁丝框架上张有液体薄膜，表面上 单位长度直线两侧液面的相互拉力叫表面张力系 数，用 表示。 b b 液体薄膜有两个表面， ab 受到的张力为 l F dx F 2l 液体薄膜从 a´b´ 收 缩到ab 时，表面张力做功 为 dA F dx 2ldx dS