Chapter2-the-first-law-of-thermodynamics

2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST1Chapter2ThefirstlawofthermodynamicsUQW2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST2QUESTIONSPage129:3.5.6.8.9.10.12.13.14.16-23.26.28-32.352019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST32.1热力学概论2.2热力学第一定律2.8热化学2.3准静态过程与可逆过程2.4焓2.5热容2.6热力学第一定律对理想气体的应用2.7实际气体Contents2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST42.9Hess’law2.10几种热效应2.11反应热与温度的关系——Kirchhoff’slaw2.12绝热反应——非等温反应*2.13热力学第一定律的微观说明2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST52.1热力学概论热力学的研究对象热力学的方法和局限性•体系与环境•体系的分类•体系的性质•热力学平衡态•状态函数•状态方程•热和功基本概念：2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST62.1.1热力学的研究对象Thermodynamicsandchemicalthermodynamics•研究热、功和其他形式能量之间的相互转换及其转换过程中所遵循的规律；•研究各种物理变化和化学变化过程中所发生的能量效应；•研究化学变化的方向和限度。2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST72.1.2热力学的方法和局限性热力学方法•研究对象是大数量分子的集合体，研究宏观性质，所得结论具有统计意义。•只考虑变化前后的净结果，不考虑物质的微观结构和反应机理。•判断变化能否发生以及进行到什么程度，但不考虑变化所需要的时间。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。2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST82.1.3systemandsurroundingsSystem:Theobjectthatwearestudyingatagivenmomentiscalledthesystem.Surroundings:Theportionoftheuniversethatisoutsideofthesystemiscalledthesurroundings.2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST9Opensystem2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST10Closedsystem2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST11Isolatedsystem2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST122.1.4Thepropertiesofsystemorthermodynamicsvariable1.Extensiveproperties(capacityproperties)2.Intensiveproperties3.Thecorrelationofthem2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST132.1.5Thethermodynamicsequilibriumstate热平衡（thermalequilibrium）体系各部分温度相等。力学平衡（mechanicalequilibrium）体系各部的压力都相等，边界不再移动。如有刚性壁存在，虽双方压力不等，但也能保持力学平衡。2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST14相平衡（phaseequilibrium）多相共存时，各相的组成和数量不随时间而改变。化学平衡（chemicalequilibrium）反应体系中各物质的数量不再随时间而改变。2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST152.1.6StatesandstatefunctionspVTCp…U总和性质描述了状态state使成为确定Statevariables2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST16体系的一些性质，其数值仅取决于体系所处的状态，而与体系的历史无关；它的变化值仅取决于体系的始态和终态，而与变化的途径无关。具有这种特性的物理量称为状态函数（statefunction）。状态函数的特性可描述为：异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。状态函数在数学上具有全微分的性质。2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST172.1.7Equationofstate体系状态函数之间的定量关系式称为状态方程（stateequation）。对于一定量的单组分均匀体系，状态函数T,p,V之间有一定量的联系。经验证明，只有两个是独立的，它们的函数关系可表示为：T=f(p,V）p=f(T,V）V=f(p,T）2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST182.1.7Processandpath1.processIsothermalprocessIsobaricprocessIsochoricprocessAdiabaticprocessCyclicprocess2.path2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST192.1.8WorkandheatHeat体系吸热，Q0；体系放热，Q0。体系与环境之间因温差而传递的能量称为热，用符号Q表示。Q的取号：2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST20WorkQ和W都不是状态函数，其数值与变化途径有关。体系与环境之间传递的除热以外的其它能量都称为功，用符号W表示。功可分为膨胀功和非膨胀功两大类。W的取号：环境对体系作功，W0；体系对环境作功，W0。2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST21δdWFlFpAambsWpAlpAlpVambsambsambδddd2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST222.2.1Mechanicalequivalentofheat2.2Thefirstlawofthermodynamics1cal=4.1840JItwasobtainedbyMayerin1842andJoulein1847respectively.2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST232.2.2Thermodynamicenergyorinternalenergy热力学能（thermodynamicenergy）以前称为内能（internalenergy）,它是指体系内部能量的总和，包括分子运动的平动能、分子内的转动能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间的相互作用位能等。热力学能是状态函数，用符号U表示，它的绝对值无法测定，只能求出它的变化值。2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST24,,()d()dpTUUTpnUUUTpTp（）对于n为定值的封闭系统，d,,()d()dVTUUTVnUUUTVTV（）d2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST252.2.3TheFirstLawofThermodynamicsForaclosedsystemandforanyprocessthatbeginsandendswithequilibriumstate,ΔUisdefinedby:U=Q+WdU=Q+WBecauseUisastatefunction,sofinalinitialUUU2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST26perpetualmotionmachinesofthefirstkind一种既不靠外界提供能量，本身也不减少能量，却可以不断对外作功的机器称为第一类永动机，它显然与能量守恒定律矛盾。历史上曾一度热衷于制造这种机器，均以失败告终，也就证明了能量守恒定律的正确性。2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST272.3Quasi-staticprocessandreversibleprocess2.3.1workandprocess2.3.1.1freeexpansion(自由膨胀)eδd0WpV设在定温下，一定量理想气体在活塞筒中克服外压，经4种不同途径，体积从V1膨胀到V2所作的功。ep2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST282.3.1.2Theworkdoneoneaclosedfluidsystem(dpe=0，isobaricprocess)e21()WpVV2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST292019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST302.3.1.3ReversibleprocessAreversibleprocessisonethatcanbereversedindirectionbyaninfinitesimalchangeinthesurroundings.Reversibleprocessarealsocalledquasi-equilibriumprocessorquasi-staticprocess.2019年11月6日星期三XuYe,Schoolofmaterialsscienceandengineering,SWUST31可逆过程的特点(characters)：（1）状态变化时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。Theprocessm