1 热力学基本概念
第二章 热力学第一定律
T (B, ,T)
£K r Hm (T)
标准摩尔燃烧焓[变]的定义 在温度 T 物质 B 完全氧化( T)表示 叫标准摩尔燃烧焓 g H2O(l)的 T)计算
£K r Hm £K cHm £K r Hm B
-
)成相同温度下指定产物时的标准摩尔焓[变] 用
£K cHm
(B
指定产物 CO2 由
£K c Hm
物理化学学习指导
第二章 热力学第一定律
第二章 热力学第一定律
一. 基本概念及公式
1 热力学基本概念
(1)系统和环境 系统——热力学研究的对象(是大量分子 外的周围部分存在边界 环境——与系统通过物理界面(或假想的界面)相隔开并与系统密切相关的周围部分 根据系统与环境之间发生物质的质量与能量的传递情况 系统分为三类: 原子 离子等物质微粒组成的宏观集合体) 系统与系统之
H = Qp 适用于真实气体 理想气体 液体
T2 T1
∆H = ∫ nC p ,m dT
T1
T2
固体定压过程 理想气体任意 p
V
T 变化过程
∆U = ∫ nCV ,m dT = nC v ,m (T2 − T1 ) ∆H = ∫ nC p ,m dT = nC p ,m (T2 − T1 )
T1 T2
体积功 功有多种形式 通常涉及的是体积功 它是系统发生体积变化时的功 定义为
δW = − p su dV
式中 psu 为环境的压力
W = ∑ δW = − ∫ p su dV
V2 V1
对恒外压过程
psu = 常数
W = − p su (V2 − V1 ) W = − ∫ pdV
V1 V2
对可逆过程 因 p =psu
热力学的基本概念与应用
热力学的基本概念与应用热力学是自然科学中重要的一门学科，它研究热量和能量的转化与传递。
热力学的基本概念有温度、热量、功、内能等，这些概念被广泛应用于能源、环境保护和化学工程等领域。
温度是热力学中最基本的概念之一，它描述了物体内粒子的平均动能。
我们用摄氏度或开尔文来表示温度。
根据热力学第一定律，热量是能量的一种形式，是由高温物体传递到低温物体的能量。
热量的单位是焦耳。
根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
功是一种由力量作用在物体上的能量转移方式。
当物体被外力推动或拉动时，它会做功。
功的单位也是焦耳。
内能是指物体系统所具有的总能量，它包括了物体的热能和机械能。
根据能量守恒定律，热量和功的变化会改变系统的内能。
热力学的应用非常广泛。
首先，热力学在能源领域起着重要的作用。
通过研究热力学原理，我们可以优化能源的转换效率，提高能源利用率。
例如，在发电厂中，热力学原理被用于优化火力发电和核能发电。
此外，热力学也对可再生能源的开发和利用起着重要的指导作用。
其次，热力学在环境保护中也有应用。
研究大气和水体的热力学过程可以帮助我们理解气候变化和海洋循环等现象。
热力学原理被用于分析和改善大气和水体的污染问题，以保护环境和人类健康。
此外，热力学还在化学工程中扮演着重要的角色。
通过热力学原理，化学工程师可以设计和优化化学反应过程。
热力学的概念，如化学平衡、反应热和化学势等，被广泛应用于化学反应动力学和反应工程的研究中。
热力学的应用不仅仅局限于上述领域，它还在材料科学、生物学和地质学中发挥着重要作用。
通过运用热力学原理，我们可以深入理解物质和能量之间的相互关系，从而应用于各个学科的研究和实践中。
综上所述，热力学是一门重要的学科，它的基本概念如温度、热量、功和内能被广泛应用于能源、环境保护和化学工程等领域。
热力学的应用有助于优化能源利用、环境保护和化学反应过程的设计。
同时，热力学也为其他学科的研究提供了重要的理论基础。
热力学的基本概念和规律解析
热力学的基本概念和规律解析热力学是自然科学中的一个重要分支，研究的是能量转化和能量传递的规律。
它的基本概念和规律对于我们理解自然界中各种现象和过程具有重要意义。
本文将对热力学的基本概念和规律进行解析，帮助读者更好地理解这一领域。
热力学的基本概念之一是能量。
能量是物质存在和运动的基本属性，是物质变化和相互作用的基础。
热力学将能量分为两类：热能和功。
热能是由于物体的温度差而产生的能量，它可以通过热传导、热辐射和热对流等方式传递。
功则是由于物体的位移而产生的能量，它可以通过物体的运动来实现。
热力学的基本规律之一是能量守恒定律。
能量守恒定律是指在一个孤立系统中，能量的总量是不变的。
这意味着能量可以从一种形式转化为另一种形式，但总能量的大小保持不变。
例如，当我们将水加热时，电能被转化为热能，但总能量的大小不会改变。
热力学的另一个基本规律是熵增定律。
熵是热力学中一个重要的物理量，它表示系统的无序程度。
熵增定律指出，在一个孤立系统中，熵总是趋向于增加。
这意味着系统的有序性越来越低，无序性越来越高。
例如，当我们将一杯热水放置在室温下，水的温度会逐渐降低，熵也会增加。
热力学还研究了物质的相变规律。
相变是物质由一种状态转变为另一种状态的过程。
在相变中，物质的能量和熵都会发生变化。
例如，当我们将冰加热到一定温度时，它会融化成水，这是一个固体到液体的相变过程。
在相变过程中，物质吸收热能，熵也会增加。
除了基本概念和规律，热力学还研究了一些重要的热力学循环和热力学过程。
热力学循环是指一系列热力学过程组成的闭合过程，最常见的例子是卡诺循环。
卡诺循环是一种理想的热力学循环，它由两个等温过程和两个绝热过程组成。
卡诺循环的效率是所有热力学循环中最高的，它可以作为理想热机的标准。
热力学过程是指物体在能量交换的过程中所经历的变化。
热力学过程可以分为准静态过程和非准静态过程。
准静态过程是指系统的状态变化非常缓慢，以至于系统始终处于平衡状态。
第二章热力学第一定律
第二章 热力学第一定律主要内容1.热力学基本概念和术语（1）系统和环境：系统——热力学研究的对象。
系统与系统之外的周围部分存在边界。
环境——与系统密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。
根据系统与环境之间发生物质的质量与能量的传递情况，系统分为三类： (Ⅰ)敞开系统——系统与环境之间通过界面既有物质的质量传递也有能量的传递。
(Ⅱ)封闭系统——系统与环境之间通过界面只有能量的传递，而无物质的质量传递。
(Ⅲ)隔离系统——系统与环境之间既无物质的质量传递亦无能量的传递。
（2）系统的宏观性质：热力学系统是大量分子、原子、离子等微观粒子组成的宏观集合体。
这个集合体所表现出来的集体行为，如G A S H U T V p ,,,,,,,等叫热力学系统的宏观性质(或简称热力学性质)。
宏观性质分为两类：(Ⅰ)强度性质——与系统中所含物质的量无关，无加和性(如T p ,等)； (Ⅱ)广度性质——与系统中所含物质的量有关，有加和性(如H U V ,,等)。
而强度性质另一种广度性质一种广度性质= n V V =m 如，等V m =ρ（3）相的定义：相的定义是：系统中物理性质及化学性质完全相同的均匀的部分。
（4）系统的状态和状态函数：系统的状态是指系统所处的样子。
热力学中采用系统的宏观性质来描述系统的状态，所以系统的宏观性质也称为系统的状态函数。
(Ⅰ) 当系统的状态变化时，状态函数的改变量只决定于系统的始态和终态，而与变化的过程或途径无关。
即系统变化时其状态函数的改变量＝系统终态的函数值－系统始态的函数值。
(Ⅱ) 状态函数的微分为全微分，全微分的积分与积分途径无关。
即：2121X X X dX X X ∆==-⎰y yX x x X X x y d d d ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=（5）热力学平衡态：系统在一定环境条件下，经足够长的时间，其各部分可观测到的宏观性质都不随时间而变，此后将系统隔离，系统的宏观性质仍不改变，此时系统所处的状态叫热力学平衡态。
第一章热力学第一定律
解：先求出两种状态下的始态和终态体积。再由恒压 先求出两种状态下的始态和终态体积。 体积功的计算方法计算体积功。 体积功的计算方法计算体积功。
V1=nRT1/p1=[2*8.314*300/(500*1000)]m3= 9.977*10-3m3 V2=nRT2/p2=[2*8.314*350/(500*1000)]m3= 1.164*10-2m3 恒压既p1=p2=pex W = -pex（V2-V1） = -[500*1000*(1.164*10-2-9.977*10-3)] = -832J
热量的符号： 热量的符号：Q 体系从环境吸热为Q>0，“+” 体系从环境吸热为 ， 体系向环境放热为Q<0，“-” 体系向环境放热为 ， 体系绝热，Q=0 体系绝热， 单位：国际单位（ ）， 焦耳（ ）， ），KJ 单位：国际单位（SI）， 焦耳（J），
热容：一定量物质，温度升高 所吸收的 热容：一定量物质，温度升高1K所吸收的 热。 常用符号为C 常用符号为 摩尔热容：1mol物质的热容。 物质的热容。 摩尔热容： 物质的热容 表示符号为C 单位为J.mol-1.K-1 表示符号为 m，单位为 说明：热容为容量性质，随物质的量变化。 说明：热容为容量性质，随物质的量变化。 摩尔热容为强度性质， 摩尔热容为强度性质，其数值与温度 T有关。 有关。 有关
始态 终态 ——→ （ n，T1， P1， V1）——→ （n，T2， P2， V2） ， ， 途径 I 等T 等P （ n，T1， P2， V`2） ， 途径 II
第一章热力学第一定律
经验 总结 总结归纳提高 引出或定义出 解决 的 能量效应(功与热) 过程的方向与限度 即有关能量守恒 和物质平衡的规律 物质系统的状态变化 第一章 热力学第一定律 §1.1 热力学基本概念1.1.1 热力学的理论基础和研究方法1、热力学理论基础热力学是建立在大量科学实验基础上的宏观理论，是研究各种形式的能量相互转化的规律，由此得出各种自发变化、自发进行的方向、限度以及外界条件的影响等。
⇨ 热力学四大定律：热力学第一定律——Mayer&Joule ：能量守恒，解决过程的能量衡算问题(功、热、热力学能等)；热力学第二定律——Carnot&Clousius&Kelvin ：过程进行的方向判据； 热力学第三定律——Nernst&Planck&Gibson ：解决物质熵的计算；热力学第零定律——热平衡定律：热平衡原理T 1=T 2，T 2=T 3，则T 1= T 3。
2、热力学方法——状态函数法⇨ 热力学方法的特点： ①只研究物质变化过程中各宏观性质的关系，不考虑物质的微观结构；（p 、V 、T etc ） ②只研究物质变化过程的始态和终态，而不追究变化过程中的中间细节，也不研究变化过程的速率和完成过程所需要的时间。
⇨ 局限性：不知道反应的机理、速率和微观性质。
只讲可能性，不讲现实性。
3、热力学研究内容热力学研究宏观物质在各种条件下的平衡行为：如能量平衡，化学平衡，相平衡等，以及各种条件对平衡的影响，所以热力学研究是从能量平衡角度对物质变化的规律和条件得出正确的结论。
热力学只能解决在某条件下反应进行的可能性，它的结论具有较高的普遍性和可靠性，至于如何将可能性变为现实性，还需要动力学方面知识的配合。
1.1.2 热力学的基本概念1、系统与环境⇨ 系统（System ）：热力学研究的对象(微粒组成的宏观集合体)。
在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其余部分分开，这种分离可以是实际的，也可以是想象的。
热力学的基本概念和热力学定律
热力学的基本概念和热力学定律热力学是一门研究能量转化和传递的学科，它涉及到物质的热力学性质以及与温度、压力和体积等因素之间的关系。
热力学的基本概念和热力学定律是热力学研究的基石，对于我们理解自然界中的能量转化过程具有重要意义。
热力学的基本概念之一是能量。
能量是物质存在的一种形式，它可以由一种形式转化为另一种形式。
例如，燃烧木材时，木材中的化学能被转化为热能和光能。
能量的转化和传递是热力学研究的核心内容之一。
热力学中的另一个基本概念是系统和环境。
系统是研究对象所构成的部分，而环境则是与系统相互作用的外部部分。
系统和环境之间可以通过能量的传递进行交换。
例如，一个封闭的容器中的气体就是一个系统，而容器外部的空气则是环境。
系统和环境之间的能量交换可以通过热传递或者功来实现。
热力学中的第一定律是能量守恒定律。
根据第一定律，能量在系统和环境之间的转化和传递不会消失也不会增加，只会发生转化。
这意味着能量的总量在一个封闭系统中保持不变。
例如，一个封闭的热水瓶中的热能不会消失，只会通过传导、对流和辐射等方式转移到瓶外的环境中。
热力学中的第二定律是热力学定律中最重要的定律之一。
根据第二定律，自然界中的能量转化过程具有一定的方向性，即从高温区向低温区传递热量。
这是因为自然界趋向于达到热平衡状态，其中温度是均匀分布的。
例如，当我们将一杯热水放置在室温下，热水会逐渐冷却，直到与室温相等。
热力学中的第三定律是关于绝对零度的定律。
根据第三定律，当温度接近绝对零度时，物质的熵趋于零。
绝对零度是热力学温标的零点，对应于-273.15摄氏度。
在绝对零度下，物质的分子运动几乎停止，熵的值趋近于零。
这个定律对于研究低温物理学和固态物理学等领域具有重要意义。
除了以上介绍的热力学定律，热力学还涉及到一些其他重要的概念和定律，如熵、焓、热容等。
熵是描述系统无序程度的物理量，它与能量转化和传递过程中的效率密切相关。
焓是系统内能和对外界做功的总和，它在化学反应和相变等过程中发挥重要作用。
第01章-热力学基本定律1-资料
[例题]:
在等压下，一定量理想气体B由10 dm3膨胀到16 dm3，并吸热700J，求W与ΔU ? 解： 初态，p 10 dm3 等 压 过 Q 程 7 0J， 0终态， p 16 dm3
Wp(V2V 1)[10136215 03]J60J8
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3. 准静态过程
定义：在过程进行中的任何时刻系统都处于平衡态 的过程。
4. 可逆过程
定义：由一系列非常接近于平衡的状态所组成 的，中间每一步都可以向相反的方向进行而不在环 境中任何痕迹的过程称为可逆过程。
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特点： ①可逆过程是由一系列非常接近于平衡的状态所 组成. 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经历可逆过程后，当系统复原时，环境也完全 复原而没有留下任何影响和痕迹。
1. 热力学第一定律表述： 热力学第一定律即能量守恒与转化定律：自然界 的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式， 能够从一种形式转化为另一种形式，在转化中， 能量的总值保持不变。 经验表述：第一类永动机是造不成的。
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2. 热力学第一定律的数学表达式
ΔU = Q + W 对一微小表化，
例题：教材第10页
在298.15K 下1mol C2H6 完全燃烧时，过程所 作的功是多少（反应系统中的气体视为理想气 体）?
解： C2H6 (g) + 3.5O2 (g) = 2CO2 (g) + 3H2O (l)
WRT B(g)= [- (2 - 3.5 - 1)×8.314×298.15]J
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第一章 热力学基本定律
1.1 热力学基本概念 1.2 热力学第一定律 与内能、焓、功、热 1.3 气体系统典型过程分析 与可逆过程、热机效率 1.4 热力学第二定律与熵、熵判据 1.5 熵变的计算与应用：典型可逆过程和可逆途径的设计 1.6 自由能函数与自由能判据:普遍规律与具体条件的结合 1.7 封闭系统热力学函数间的关系:4个基本方程 1.8 自由能函数改变值的计算及应用:可逆途径的设计
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第一章热力学基本概念
一、是非题
1．只有处于平衡状态的系统才可用状态参数p、v、T来描写( )。
2．对处于非平衡状态的系统各强度参数是不可能确定的( )，各尺度参数也是不可能确定的( )。
3．尺度量具有可加性( )，强度量也具有可加性( )。
4．系统的总容积V是尺度量( )，比容v也是尺度量( )。
5．真空度是用百分数表示的( )。
6．平衡状态是不随时间改变的状态( )，它一定是均匀状态( )。
7．若容器中气体的压力没有改变则压力表上的读数就一定不会改变( )。
8．容器中水蒸气和水共存时，不能视为纯物质（）。
9．各种气体的气体常数都相同（）。
二、选择题
1．( )与测温介质的物性无关，因而可作为度量温度的客观标准。
(a)热力学温标；(b)理想气体温标；(c)经验温标。
2．在国际单位制中压力的单位是( )。
(a)帕；(b)巴；(c)工程大气压。
3．在国际单位制中温度的单位是( )。
(a)开尔文(K)；(b)摄氏度(℃)；(c)华氏度( )。
4．气体的( )与当时当地的大气压力有关，而( )与之无关。
(a)绝对压力；(b)表压力；(c)真空度。
5．1 Pa、1bar和1at的关系是( )。
(a)1at＞1bar＞1 Pa；(b)1 Pa＞1bar＞1at；(c)1bar＞1at＞1 Pa。
三、习题
1—1 确定与1bar压力相当的液柱高度，假定测压流体为酒精(其密度为0．82×103kg／m3)。
1—2 如果气压计压力为83kPa，试完成以下计算：
(1)绝对压力为0．15MPa时的表压力；
(2)真空计上读数为500mm水银柱时气体的绝对压力；
(3)绝对压力的0．5bar时相应的真空度(mbar)；
(4)表压力为2．5bar时的绝对压力(kPa)。
1—3用水银压力计测量容器中气体的压力时，为避免水银蒸发，在水银柱上加一段水，水高1020mm，水银柱高900mm，如图1-12所示。
当时当地气压计上水银柱高度为=755mm，求容器内气体的绝对压力多少MPa和多少at?
图1—12
1—4 测冷凝器中压力的真空计上水银柱高度为
=
p
600mm，气压计上水银柱的高度为
= 755mm，求容器中气体的绝对压力为多少MPa及多少at?又若冷凝器内气体压力维持不变，而大气压力变化到=770mm水银柱，问此时真空表上的读数有变化吗?如有，变为多少?
1—5 锅炉烟道中的烟气压力常用上部开口的斜管测量，如图1—13所示。
若已知斜管倾角o
30=
α，压力计中使用ρ=0．8g/cm3的煤油，斜管中液柱长度L＝200mm，当地大气压力P b=10．1MPa。
求烟气的绝对压力(用MPa及at表示)。
图1-13 图1-14
1—6 某容器被一刚性壁分为两部分，在容器的不同部位安装有压力计，如图1—14所示。
压力表B上的读数为75kPa，表C上的读数为0．11MPa。
如果大气压力为97kPa，试确定表A上的读数，及容器两部分内气体的绝对压力。
1—7 上题中，若表C为真空计，读数为24kPa，表B读数为36kPa，试确定表A的读数(MPa)。
1—8 一实验设备中空气流过管道，利用压差计测量孔板两边的压差。
如果使用的是水银压差计，测得液柱高为300mm，水银密度为13．60g/cm3(图1—15)，试确定孔板两边的压差。
l—9 气体盛在A,B两气缸内，用一个具有不同直径的活塞联在一起，如图1—16。
活塞的质量为10kg，气体在缸A内的压力2kgf/cm2。
试计算气缸B内气体的压力为多少kgf/cm2。
图1-15 图1—16
1—10 气体初态为P1=0.5MPa、V1＝0．4m3，在压力为定值的条件下膨胀到V2＝0．8m3，求气体膨胀所作的功。
1—11 某气缸内盛气体，缸内活塞自重2kgf,面积为16cm2，上方压有质量为m的重物。
上述系统处于平衡时，测得缸内气体表压力为0．2MPa。
求活塞上重物的质量m。
1—12一个温度标尺，单位为“米制度”，用“M”表示。
在此温度标尺上选取水的冰点和汽点分别为100 M及1000 M。
(1)如果标尺是线性的，试导出该温度标尺的温度T M与相应的摄氏温标上的读数T C间的关系；
(2)在此新的温度标尺上，热力学温标的绝对零度所对应的度数为多少?
1-13 一个新的温度标尺[我们称之为热力学度( T)]这样来定义：水的冰点和汽点分别
取为10 T及210 T。
(1)如果温度标尺是线性的，试导出用热力学度表示的温度T T与相应的摄氏温标上的读数T C之间的关系式；
(2)若此温标上的读数为0 T，则绝对温度为多少K?
1—14 理想气体状态方程式为pv＝R g T,试导出：
(1)定温下气体p、v间的关系：
(2)定压下气体v、T间的关系；
(3)定容下气体p、T间的关系。
1—15 把CO2压送到容积为3m3的贮气罐里，气罐内起始表压力P e1=230kPa，终了时表压
力P e2＝0.3MPa，温度由
C
t o
45
1
=增到到C
t o
70
2
=。
试求被压入的CO
2
的质量。
当时
当地大气压P b＝0．1MPa。
四、计算机应用、工程设计及讨论
1．写一计算机程序表示用SI单位给出的压力与水柱及汞柱间的关系的线。
2．设计一个方案用标准水银温度计为基准作出热电偶温度计的毫伏一温度关系曲线。
3．引入平衡态及准平衡过程的意义何在?对工程实践有什么重要作用?实施准静过程需要什么条件?
4．状态参数有什么特点，状态参数坐标图有什么用途?。