热力学第一定律2-3
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第二章 热力学第一定律
§2-5 理想气体内能 热容和焓
一、理想气体的内能 焦耳定律 自由膨胀过程 证明：理想气体内能仅是状 态的函数，与体积无关，称 为焦耳定律
A
C
B
焦耳实验(1845年) 理想气体
U U (T )
满足pV=νRT关系；满足道尔顿分压定律； 满足阿伏加德罗定律；满足焦耳定律U
宏观特性
U (T )
1 dU CV ,m v dT
CP , m 1 dH v dT
思考题 一、试指出以下提法是否正确？如有错误、指出误区所在． 1.“高温物体所含热量多；低温物体所合热量少” 2.“同一物体温度越高所含热量越多”． 热量不是状态函数，与过程有关 二、试指出以下不同用语申的‘热”指的是哪个概念．
P
2、理想气体定容热容量及内能
热力学第一定律
dQ dU dA dU PdV dU
dV 0
dQ dU CV dT dT
U 2 U1 CV dT
T1
T2
3、理想气体定压热容量及焓 焓
H U pV U (T ) vRT
dH dU pdV
第二章
热力学第一定律
热力学系统的过程 功
内能 热量 焦耳热功当量实验
热力学第一定律及应用 理想气体内能、热容和焓 循环过程 技术上的循环过程
§2.1
一、热力学过程
热力学系统的过程
原平衡态
p
( P0 ,V0 )
一系列
非平衡态
( P ,V1 ) 1
新平衡态
p-V图 V 问题：离开了原平衡态， 能不能回到一个新平衡态
(I)“摩擦生热”； (2)“热功当最”
(3)“这盆水太热” 三、热力学系统的内能是状态的单值函数，对此作如下理解是否 正确? 1.一定量的某种气体处于一定状态，就具有一定的内能． 2.此内能是可以直接测定的． 3.此内能只有一个数值．
3第二章 热力学第一定律1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d. 热力学能是系统的状态函数
反证法：
假设U不是状态函数，设 ΔU1>ΔU2，令系统 A→B→A循环，则 ΔU=ΔU1+（－ΔU2）>0,系 统复原后凭空得到剩余的能 量—第一类永动机，违反能 量守恒原理。
2、数学表达式
封闭系统： 其中 注意： 若定义系统对外作功取正值，环境对系统 作功取负值，热力学第一定律数学表达式为： 或 或
④ 循环过程，任一状态函数的变化量都为零
四．过程与途径
1、过程：系统状态发生的一切变化 途径：系统状态从同一始态到同一终态可以 有不同的方式，这种不同的方式称为途径 例如：
２．几种主要的p、Ｖ、Ｔ变化过程
恒温过程：T1=T2=Tsu，过程中温度恒定
恒压过程：p1=p2=psu，过程中压力恒定
恒容过程：V1=V2，过程中体积保持恒定 绝热过程：Q=0 循环过程：所有状态函数改变量为零 如Δp=0，ΔT=0，ΔU=0等
1．系统 (体系、物系)
热力学研究的对象（大量粒子组成的集合体） 环境（外界）：系统以外与系统密切相关的部分 系统和环境之间通常有物理界面分开， 但有时是假想的界面。
2．系统分类 敞开系统：有能量交换也有物质交换 封闭系统：只有能量交换而无物质交换 孤立系统：无能量交换也无物质交换
3．系统的宏观性质分类
三、摩尔热容与温度的关系
经验式：
其中a、b、c、c'是经验常数，由各物质的性质 决定
例：计算恒压下1mol CO2从100℃加热 到500℃时所需吸收的热量。已知CO2平 均恒压摩尔热容：
§2-5 相变焓
一、相变焓
相：
系统中物理性质和化学性质完全相同的均匀部分 相变化： 系统中的物质在不同相之间的转移过程。如液体 蒸发、固体熔化等。
d. 热力学能是系统的状态函数
反证法：
假设U不是状态函数，设 ΔU1>ΔU2，令系统 A→B→A循环，则 ΔU=ΔU1+（－ΔU2）>0,系 统复原后凭空得到剩余的能 量—第一类永动机，违反能 量守恒原理。
2、数学表达式
封闭系统： 其中 注意： 若定义系统对外作功取正值，环境对系统 作功取负值，热力学第一定律数学表达式为： 或 或
④ 循环过程，任一状态函数的变化量都为零
四．过程与途径
1、过程：系统状态发生的一切变化 途径：系统状态从同一始态到同一终态可以 有不同的方式，这种不同的方式称为途径 例如：
２．几种主要的p、Ｖ、Ｔ变化过程
恒温过程：T1=T2=Tsu，过程中温度恒定
恒压过程：p1=p2=psu，过程中压力恒定
恒容过程：V1=V2，过程中体积保持恒定 绝热过程：Q=0 循环过程：所有状态函数改变量为零 如Δp=0，ΔT=0，ΔU=0等
1．系统 (体系、物系)
热力学研究的对象（大量粒子组成的集合体） 环境（外界）：系统以外与系统密切相关的部分 系统和环境之间通常有物理界面分开， 但有时是假想的界面。
2．系统分类 敞开系统：有能量交换也有物质交换 封闭系统：只有能量交换而无物质交换 孤立系统：无能量交换也无物质交换
3．系统的宏观性质分类
三、摩尔热容与温度的关系
经验式：
其中a、b、c、c'是经验常数，由各物质的性质 决定
例：计算恒压下1mol CO2从100℃加热 到500℃时所需吸收的热量。已知CO2平 均恒压摩尔热容：
§2-5 相变焓
一、相变焓
相：
系统中物理性质和化学性质完全相同的均匀部分 相变化： 系统中的物质在不同相之间的转移过程。如液体 蒸发、固体熔化等。
第二章 热力学第一定律
入口处： p1A1 d x = p1 d V1 = p1 v1 d m1
出口处： p2A2 d x = p2 d V2 = p2 v2 d m2
流动功：系统为维持工质流动所需的功。 （p v ) = p2 v2 – p1 v1 3. 几点说明： （1）是工质在开口系统中流动而传递的能量； （2）只有在工质流动过程中才出现； （3）工质在传递流动功时，没有热力状态的变化， 也没有能量形态的变化
1 2 2 (c f 2 c f 1 ) h1 h2 2
说明 ：工质流经喷管时，动能的增加等于 焓值的减少。
同学们：
上课铃声即将敲响， 你们准备好了吗？！
同学们：
现在开始上课。 请翻开你们的书、笔记本，
拿起笔。 并请保持课堂安静。谢谢！
例1：对定量的某种气体加热100kJ，使之由状态1 沿路径1a 2变化到状态2，同时对外作功60kJ。若外 界对气体作功40kJ，使之从状态2沿路径2b1返回状 态1，如图，问返回过程中工质与外界交换的热量 是多少？是吸热用力的存在所具有 的位能，与气体的比体积有关。 化学能，原子核能，电磁能。
单位：焦耳 J，符号 U 比热力学能：单位质量物质的热力学能，u, J / kg 2. 热力学能是温度和比体积的函数，是状态参数。 3. 热力学能的大小是相对的。 二. 宏观动能和宏观位能 1. 宏观动能：由于宏观运动速度而具有的动能。EK 2. 宏观位能：由于其在重力场中的位置而具有的位 能。 EP 三. 总储存能 （stored energy) 总储存能：系统的热力学能，宏观动能，宏观位 能之和，用E表示，单位J，KJ。 比储存能 e = u + e k+ ep
Q = W + U = W + U2 - U1
10.1-2-3 功和内能、热和内能、 热力学第一定律 能量守恒定律
解：由热力学第一定律ΔU = Q + W 知： W= ΔU－Q = +1.5 ×105J -（- 2.0 ×105J） = +3.5 ×105J>0 所以此过程中外界对空气做了3.5 ×105J的功
3．下列关于热量的说法，正确的是( CD )
A．温度高的物体含有的热量多 B．内能多的物体含有的热量多 C．热量、功和内能的单位相同 D．热量和功都是过程量，而内能是一个状态量
做功
改变内能的两种方式 热传递
对内 对外
（外界对物 （物体对 体做功） 外界做功）
内能增加 内能减少
U W
吸热
（物体从 外界吸热）
（1）热传导：热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一系统的现象叫做 热传导。
（2）对流：液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程 （3）热辐射：物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领，这种热传递的方式叫做热 辐射。
二、热量
1、定义：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。
（1）在单纯的热传递过程中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增 加多少，即Q吸=△U 。（2）在单纯的热传递过程中，系统向外界放出多少 热量，系统的内能就减少多少，即Q放= -△U。
3、热传递具有方向性：热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。 4、做功和热传递在改变内能上的比较
（1）做功和热传递在改变内能上是等效的。
结论：做功使得物体（密闭气体）温度升高，即做功可以改变物体的内能。
焦耳的实验
焦耳
詹姆斯·普雷斯科 特·焦耳（1818年12月24 日－1889年10月11日）， 英国物理学家，出生于曼 彻斯特近郊的沙弗特 。起 初研究电学和磁学. 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——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.
3．下列关于热量的说法，正确的是( CD )
A．温度高的物体含有的热量多 B．内能多的物体含有的热量多 C．热量、功和内能的单位相同 D．热量和功都是过程量，而内能是一个状态量
做功
改变内能的两种方式 热传递
对内 对外
（外界对物 （物体对 体做功） 外界做功）
内能增加 内能减少
U W
吸热
（物体从 外界吸热）
（1）热传导：热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一系统的现象叫做 热传导。
（2）对流：液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程 （3）热辐射：物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领，这种热传递的方式叫做热 辐射。
二、热量
1、定义：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。
（1）在单纯的热传递过程中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增 加多少，即Q吸=△U 。（2）在单纯的热传递过程中，系统向外界放出多少 热量，系统的内能就减少多少，即Q放= -△U。
3、热传递具有方向性：热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。 4、做功和热传递在改变内能上的比较
（1）做功和热传递在改变内能上是等效的。
结论：做功使得物体（密闭气体）温度升高，即做功可以改变物体的内能。
焦耳的实验
焦耳
詹姆斯·普雷斯科 特·焦耳（1818年12月24 日－1889年10月11日）， 英国物理学家，出生于曼 彻斯特近郊的沙弗特 。起 初研究电学和磁学. 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——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.
第二章 热力学第一定律
1 2 ws m u2 p2v2 cf2 gz2 0 2
令
u pv h
U pV H
，h 称为比焓。
, H 称为焓
焓的定义：焓=热力学能+推动功。
2-4 开口系统的稳定流动能量方程式
由于p、v 、u都是状态参数，所以焓也是工质的一个
1 2 Ws m u2 cf2 gz2 mp2v2 2 1 2 Ws m u2 cf2 gz2 p2v2 2
2-4 开口系统的稳定流动能量方程式
根据热力学第一定律可得
1 2 Q m u1 p1v1 2 cf1 gz1
本章主要内容
1 2 3 4 5
热力系统的储存能 热力学第一定律的实质 闭口系统的热力学第一定律表达式 开口系统的稳定流动能量方程式 稳定流动能量方程式的应用
2-1 热力系统的储存能
热力学能
热力学储存能
U
宏观动能与宏观位能
热力学能的定义：
Ek , E p
物体因热运动而具有的能量 , 是存储于物体内部的能量 。 内动能 内位能 原子能 化学能
对于单位质量工质的可逆过程 ,
q du pdv
q u pdv
1
2
2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式
适用条件：
闭口系；可逆、不可逆； 理想和实际气体；初、终态为平衡态
符号规定：
吸热q为正，放热为负 系统对外作功为正，反之为负
系统内能增大 U为正,反之为负
2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式
热力学能（内能）
2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式
Q ΔU
令
u pv h
U pV H
，h 称为比焓。
, H 称为焓
焓的定义：焓=热力学能+推动功。
2-4 开口系统的稳定流动能量方程式
由于p、v 、u都是状态参数，所以焓也是工质的一个
1 2 Ws m u2 cf2 gz2 mp2v2 2 1 2 Ws m u2 cf2 gz2 p2v2 2
2-4 开口系统的稳定流动能量方程式
根据热力学第一定律可得
1 2 Q m u1 p1v1 2 cf1 gz1
本章主要内容
1 2 3 4 5
热力系统的储存能 热力学第一定律的实质 闭口系统的热力学第一定律表达式 开口系统的稳定流动能量方程式 稳定流动能量方程式的应用
2-1 热力系统的储存能
热力学能
热力学储存能
U
宏观动能与宏观位能
热力学能的定义：
Ek , E p
物体因热运动而具有的能量 , 是存储于物体内部的能量 。 内动能 内位能 原子能 化学能
对于单位质量工质的可逆过程 ,
q du pdv
q u pdv
1
2
2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式
适用条件：
闭口系；可逆、不可逆； 理想和实际气体；初、终态为平衡态
符号规定：
吸热q为正，放热为负 系统对外作功为正，反之为负
系统内能增大 U为正,反之为负
2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式
热力学能（内能）
2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式
Q ΔU
热力学课后习题02答案
第2章 热力学第一定律2-1 定量工质，经历了下表所列的4个过程组成的循环，根据热力学第一定律和状态参数的特性填充表中空缺的数据。
过程 Q/ kJ W/ kJ△U/ kJ1-2 0 100 -1002-3-11080 -1903-4 300 90 210 4-1 20 -60802-2 一闭口系统从状态1沿过程123到状态3，对外放出47.5 kJ 的热量，对外作功为30 kJ ，如图2-11所示。
（1） 若沿途径143变化时，系统对外作功为6 kJ ，求过程中系统与外界交换的热量； （2） 若系统由状态3沿351途径到达状态1，外界对系统作功为15 kJ ，求该过程与外界交换的热量；（3） 若U 2=175 kJ ，U 3=87.5 kJ ，求过程2-3传递的热量，及状态1的热力学能U 1。
图2-11 习题2-2解：（1）根据闭口系能量方程，从状态1沿途径123变化到状态3时，12313123Q U W −=∆+，得1347.5kJ 30kJ 77.5kJ U −∆=−−=−从状态1沿途径143变化到状态3时，热力学能变化量13U −∆保持不变，由闭口系能量方程14313143Q U W −=∆+，得14377.5kJ 6kJ 71.5kJ Q =−+=−，即过程中系统向外界放热71.5kJ（2）从状态3变化到状态1时，()31133113U U U U U U −−∆=−=−−=−∆，由闭口系能量方程35131351Q U W −=∆+，得35177.5kJ 15kJ 62.5kJ Q =−=，即过程中系统从外界吸热92.5kJ（3）从状态2变化到状态3体积不变，323232323232Q U W U pdV U −−−=∆+=∆+=∆∫，因此23233287.5kJ 175kJ 87.5kJ Q U U U −=∆=−=−=−由1331187.577.5kJ U U U U −∆=−=−=−，得1165kJ U =2-3 某电站锅炉省煤器每小时把670t 水从230℃加热到330℃，每小时流过省煤器的烟气的量为710t ，烟气流经省煤器后的温度为310℃，已知水的质量定压热容为 4.1868 kJ/(kg ·K)，烟气的质量定压热容为1.034 kJ/(kg ·K)，求烟气流经省煤器前的温度。
2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理选择性必修3 第3章第2节热力学第一定律课件
系统向外界放出热量
概念辨析
功W
外界对系统做的功
W >0
外界对系统做正功
W <0
外界对系统做负功
热力学系统为密闭气体时的功
F
h
压
缩
h
F
膨
胀
W = F·
x
W = F·
x
外界对气体做正功
W >0
外界对气体做负功
W <0
例题1：密闭容器内有一定质量的气体。
（1）气体吸收热量的同时外界对它做功，气体
的内能如何变化？
管内有一段水柱，将一定量的气体密闭在烧瓶
内，用手接触烧瓶后，气体膨胀，使水柱缓慢
向外移动。
（1）瓶内气体的体积从V1变成
了V2，这个过程中瓶内的气体对
水柱做了多少功？
等压膨胀
P=P0
模型建构 缓慢
x
F
等压膨胀过程
体积V1→V2
P=P0
气体对外界做功：
W=F·
x
W=P0·
S·
x
S
F= P0·
W=P0·
内能与其他形式能量的转化过程
中，总能量是守恒的。
能量守恒定律的孕育期
1.守恒思想的萌芽
“物理学的任务是发现普遍的自
然规律。因为这样的规律的最简
单的形式之一表现为某种物理量
的不变性，所以对于守恒量的寻
求不仅是合理的，而且也是极为
重要的研究方向。”
——德国物理学家劳厄
机械能守恒
2.各种自然现象之间的联系与转化
大了600J，气体膨胀对外做了300J的功，在这
个过程中气体是吸热还是放热了？
外界对气体做负功：W = -300J
(4)热力学第二章1
U是状态参数，闭合积分为0 得到
W Q
循环过程闭口系能量方程式
在一个动力循环中，加入系统的净热量 等于输出的净功量；在一个逆向循环中，系 统放出的净热量等于输入的净功量。 Qnet ＝ Wnet 或 qnet ＝ wnet
特例闭口系能量方程式
Q = dU + W
Q=U+W 绝功系
闭口系统能量方程式
设闭口系统由于温差与 外界交换的热量为Q， 对外作功为W，系统从 状态1变化到状态2
闭口系统与外界无质量交 换；则系统的储存能的增 加为 TH
Q
1
热力系统 W
外界
EC
M1
2
边界 EC
M2
Q W ECM 离开系统的 ECM 2 ECM 1 U E k Ep 进入系统的 系统储存能量 = 能量 能量 的变化
2-2 热力学能和总能
内部储存能
系统储存的能量
外部储存能
内部储存能：只取决于系统本身（内部）的状态
外部储存能：与系统整体运动以及外界重力场有关
内 能
储存于系统内部的能量，称为内能。它与系 统内工质的内部粒子的微观运动和粒子空间位形 有关。 移动 内动能 转动 振动 内位能 内能 化学能 原子能
内能分析
可逆闭口系能量方程
简单可压缩系可逆过程
Q = TdS TdS = dU + pdV
TdS = U + pdV
q = Tds Tds = du + pdv Tds = u + pdv
循环过程闭口系能量方程式
Q = dU + W
p
4 3
1 2 v
∮δQ=∮dU＋ ∮δW
W Q
循环过程闭口系能量方程式
在一个动力循环中，加入系统的净热量 等于输出的净功量；在一个逆向循环中，系 统放出的净热量等于输入的净功量。 Qnet ＝ Wnet 或 qnet ＝ wnet
特例闭口系能量方程式
Q = dU + W
Q=U+W 绝功系
闭口系统能量方程式
设闭口系统由于温差与 外界交换的热量为Q， 对外作功为W，系统从 状态1变化到状态2
闭口系统与外界无质量交 换；则系统的储存能的增 加为 TH
Q
1
热力系统 W
外界
EC
M1
2
边界 EC
M2
Q W ECM 离开系统的 ECM 2 ECM 1 U E k Ep 进入系统的 系统储存能量 = 能量 能量 的变化
2-2 热力学能和总能
内部储存能
系统储存的能量
外部储存能
内部储存能：只取决于系统本身（内部）的状态
外部储存能：与系统整体运动以及外界重力场有关
内 能
储存于系统内部的能量，称为内能。它与系 统内工质的内部粒子的微观运动和粒子空间位形 有关。 移动 内动能 转动 振动 内位能 内能 化学能 原子能
内能分析
可逆闭口系能量方程
简单可压缩系可逆过程
Q = TdS TdS = dU + pdV
TdS = U + pdV
q = Tds Tds = du + pdv Tds = u + pdv
循环过程闭口系能量方程式
Q = dU + W
p
4 3
1 2 v
∮δQ=∮dU＋ ∮δW
热力学第三章 热一律
out m out
h c / 2 gz
2
in min Wnet
一、稳定流动条件
1、 m out m in m
2、 Q Const , W net Const Ws
Ws为轴功 Shaft work
3、 CV内总能不随时间变化： dEcv/=0
间所传递的一种机械功，表现为流动工质进 出系统使所携带和所传递的一种能量
二、开口系能量方程的推导
Wf= moutpoutvout- minpinvin e=u+c2/2+gz
带入的能量
ein+ minpinvin CV
= u+c2/2+gz+ minpinvi
h=u+pv
二、开口系能量方程的推导 定义 h=u+pv为 比焓，将推导结 果进行整理得开 口系能量方程的 一般形式：
二、稳定流动方程
Q m h c / 2 gz out h c / 2 gz in Ws
2
2
Q mq
2
Ws m ws
2
q ( h c / 2 gz ) out ( h c / 2 gz ) in ws
q h c / 2 g z ws
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，即 系统内部能量的变化。 U 代表储存于系统内部的能量
内部储存能（内能）
内能
分子动能（移动、转动、振动） 分子位能（相互作用） 核能 化学能
工程传热学-第二章 热力学第一定律
1 2
c
2 f
2
gz2 )
p2v2 ]
m1[(u1
1 2
c
2 f
1
gz1 )
p1v1 ]
W s
Q
dE
d
qm2
[(u2
1 2
c
2 f
2
gz2 )
p2v2 ]
qm1 [(u1
1 2
c
2 f
1
gz1 )
p1v1 ]
Ps
2.4 稳定状态稳定流动能量方程式
Q - W U Q U W
对热力过程：
Q1-2 U1,2 W1-2
q1-2 u1,2 w12 (u2 u1 ) w12
对微元过程：
q w du
适用范围：Ek 0, E p 0，初、终态平衡状态，
闭口系统，任意工质，任意过程。
开口系统遵循的定律：能量守恒，质量守恒。
质量守恒定律：开口系统内增加的质量等于流入和流出系统 的质量之差：
dm m1 m2 dm m1 m2 d d d
dm
d qm1 qm2
（连续性方程）
能量守恒定律：输入系统的能量—由系统输出的能量=系统 贮存能量的变化
① 轴功δ Ws：开口系统和外界通过进出口截面以外的边界 (一般为机器轴)所传递的功。
②推动能：微元工质流经进口截面1-1处，外界推动工质进 入系统需要消耗能量，其大小为：
p 1 A 1 dx p1 dV1 p1 v 1m 1
同理在出口截面2-2 ，系统将消耗能
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（２）（电阻丝+电池）为系统
Q 0,W 0, U 0
系统内部作功即系统内部能量转换，没有对外界作功。 （３）（水+电阻丝+电池）为系统
Q 0,W 0, U 0
适用条件： ① 封闭体系 ② W W体 W 孤立系统的内能守恒。即 U 0
例
如下图示：若选系统为
（1）水；（2）电阻丝+电池；（3）水+电阻丝+电池 试说明热力学能、热、功如何变化﹖
水
电 阻 丝
电池
一电阻丝浸于水中， 接上电源通电流
（１）水为系统
Q 0,W 0, U 0
§2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ3
一、 表述
热力学第一定律
1、能量守恒与转化定律：能量既不能消失，也不能创
生；它只能从一个物体传到另一个物体，从一种形 式转化成另一种形式。 2、第一类永动机不能实现。 第一类永动机：不需供给能量而源源不断做功的机器。
显然与能量守恒定律矛盾。
二、数学表达式
U Q W
或
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