第4章 热力学基础.doc

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1、第四章热力学基础§4.1热力学第一定律引言：前面指出，作功和热传递都可以使系统的内能发生改变，它们三者之间有什么关系呢？这就是热力学第一定律。一、热力学第一定律（FirstLawofThermodynamics）1．内能：系统从外界吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另一部分使系统对外界作功，这就是热力学第一定律。数学表达式为对于微小过程2．本质：热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒定律，对任何物质的任何过程都成立。3．说明：1）符号规定：热量Q：正号——系统从外界吸收热量，负号——系统向外界放出热量；功W：正号——系统对外界作功，负号

2、——外界对系统作功；内能ΔE：正号——系统能量增加，负号——系统能量减小。2）计算中，各物理量的单位是相同的，在SI制中为J。3）热力学第一定律表明，热量与功可以相互转化，但热量与功的转化不是直接的。热量→功：系统从外界吸收热量→系统内能增加→系统内能减小→对外作功；功→热量：外界对系统作功→→系统内能增加→系统内能减小→向外界传递热量。二、关于热力学第一定律的建立：1．热质理论最早为Aristotle和Galileo所采用。法国化学家Lavoisier对此作了改进，使之成为理论，称为Calorictheory，主要观点有：（1）热是一种流

3、体，既热质Caloricfluid;（2）热质应该无质量，无色并且在宇宙中总量是守恒的；（3）热质是从较热的物体流向较冷的物体，不能脱离物体而存在。1712年，Newcomen制造出第一台可以工作的蒸汽机；1769年Watt生产出第一台有效率的蒸汽机。热质理论被以来解释蒸汽机的工作机制。2．存在的问题1）摩擦问题：热质说认为“来自于潜热”；2）自由膨胀过程温度不变，1807年，法国物理学家盖吕萨克用实验证明；3）Thomson于1798年的著名实验：慕尼黑伐尼亚皇家兵工厂，测量了钻炮时的热量，认为不可能来自于潜热。结论：热与运动有关。3．J

4、oule热功当量实验：1Cal=4.186J4．对热力学第一定律有贡献的科学家：1）德国内科医生JuliusRobertMayer（1812-1878），1845年在他的小册子OrganicMotioninItsConnectionwithNutrition中列举了25种形式的能量，认为太阳是终极能源；2）JamesPrescottJoule（1818-1889），代表作Phil．Trans．Roy．Soc．（1850）3）HermannVonHelmholtz（德国），OntheConservationofForce（1847）4）Sad

5、iCarnot（1796-1832）（法国），ReflectionontheMotionPowerofFire（1824）。15三、热力学第一定律的另一种表述1．第一类永动机（Perpectualmotionmachineofthefirstkind）使系统不断地经历状态的变化，而且能自动地恢复到原来的状态，即不需要外界提供能量，也不需要消耗系统的内能，但可以对外界作功。2．热力学第一定律的另一种表述第一类永动机是不可能造成的。1775年，法国科学院宣布，不再接受审查所谓永动机的发明。热力学第一定律为第一类永动机作了科学的判决。第一类永动机

6、违反了能量守恒定律，因而是不可能实现的。能量成了物理学的普通“通货”。1950年规定热功当量1Cal=4.186J§4.2理想气体的等值过程和绝热过程一、等温过程（IsothermalProcess）1．特点：理想气体的温度保持不变，T=const。2．过程曲线：在PV图上是一条双曲线，叫等温线。3．过程方程：P1V1=P2V24．内能、功和热量的变化系统经过等温过程，从状态变成内能功由气体状态方程得——用体积表示。用压强表示为热量：由热力学第一定律得5．特征：在等压过程中，系统从外界吸收的热量，全部用来对外作功。注意：对于等温过程，不能定

7、义摩尔热容；如果要定义，则。二、绝热过程（AdiabaticProcess）1．特点：系统与外界没有热量交换的过程，Q=0。2．内能、功和热量的变化15系统经过绝热过程，从状态变成内能热量Q=0由热力学第一定律，得功用状态参量P,V表示，根据状态方程，可知证明：由定义可知，因而故因而3．特征：在绝热过程中，系统对外界所作的功是由于系统内能的减少来完成的。4．绝热方程（Possion公式）：推导：对绝热过程，由热力学第一定律即对理想气体的状态方程，取微分比较得15即利用Mayer公式和，得积分所以将上式与理想气体的状态方程结合即可得另外的两个

8、式子。5．绝热线（adiabat）：在PV图上，绝热线比等温线要陡等温线的斜率绝热线的斜率解释：等温过程P∝n，压强的降低只是由于体积的膨胀引起的；绝热过程P∝n,T，压强的降低