章热力学第一定律及其应用.ppt
《章热力学第一定律及其应用.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《章热力学第一定律及其应用.ppt(147页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、2019/5/6,物理化学电子教案第一章,2019/5/6,第一章 热力学第一定律及其应用,1.1 热力学概论,1.2 热力学第一定律,1.8 热化学,1.3 准静态过程与可逆过程,1.4 焓,1.5 热容,1.6 热力学第一定律对理想气体的应用,1.7 实际气体,2019/5/6,第一章 热力学第一定律及其应用,1.9 赫斯定律,1.10 几种热效应,1.11 反应热与温度的关系基尔霍夫定律,1.12 绝热反应非等温反应,*1.13 热力学第一定律的微观说明,2019/5/6,1.1 热力学概论,2019/5/6,一、热力学的研究对象,(一)研究热、功和其他形式能量之间的相互转换及其转换过程
2、中所遵循的规律;(第一、二定律),(二)研究各种物理变化和化学变化过程中所发生的能量效应;(第一定律),(三)研究化学变化的方向和限度。(第二定律),主要有如下三个方面:,2019/5/6,二、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。(只研究状态,而不考虑过程),能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。,2019/5/6,三、几组基本概念,(一)体系与环境(System),体系(Syst
3、em):在科学研究时必须先确定研究对象,把一部分物质与其余分开,这种分离可以是实际的,也可以是想象的。这种被划定的研究对象称为体系,亦称为物系或系统。,环境(surroundings):,体系以外与体系密切相关,影响所能及的部分称为环境。,2019/5/6,体系分类,根据体系与环境之间的关系,把体系分为三类:,(1)敞开体系(open system) 体系与环境之间既有物质交换,又有能量交换。,2019/5/6,体系分类,(2)封闭体系(closed system) 体系与环境之间无物质交换,但有能量交换。,2019/5/6,体系分类,(3)孤立体系(isolated system) 体系与环
4、境之间既无物质交换,又无能量交换,故又称为隔离体系。有时把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立体系来考虑。(封闭体系环境孤立体系如图2),2019/5/6,(二)体系的性质,用宏观可测性质(如P、T、V等)来描述体系的热力学状态,故这些性质又称为热力学变量。可分为两类:,广度性质(extensive properties) 又称为容量性质,它的数值与体系的物质的量成正比,如体积、质量、熵等。这种性质有加和性,在数学上是一次齐函数。,强度性质(intensive properties) 它的数值取决于体系自身的特点,与体系的数量无关,不具有加和性,如温度、压力等。它在数学上是零次齐函数。指定
5、了物质的量的容量性质即成为强度性质(单位量的容量性质),如摩尔热容,摩尔体积等。,2019/5/6,(三)热力学平衡态,当体系的诸性质不随时间而改变,则体系就处于热力学平衡态,它包括下列几个平衡:,(1)热平衡(thermal equilibrium) 体系各部分温度相等。,(2)力学平衡(mechanical equilibrium) 体系各部的压力都相等,边界不再移动。如有刚壁存在,虽双方压力不等,但也能保持力学平衡。,2019/5/6,(3)相平衡(phase equilibrium) 多相共存时,各相的组成和数量不随时间而改变。,(4)化学平衡(chemical equilibrium
6、 ) 化学反应体系中各物的数量不再随时间而改变。 热力学的平衡态称为定态。,(三)热力学平衡态,2019/5/6,(四)状态函数,体系的一些性质,(1)其数值仅取决于体系所处的状态,而与体系的历史无关;(2)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。(3)体系恢复原状,则这些性质也恢复原状,具有这种特性的物理量称为状态函数(state function)。,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。,2019/5/6,(五)状态方程,体系状态函数之间的定量关系式称为状态方程(state equation )。,对于一定量的
7、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),例如,理想气体的状态方程可表示为: pV=nRT,2019/5/6,(五)状态方程,对于多组分均相体系,体系的状态还与组成有关 T=f(p,V,n1,n2),对于复相体系,每一相都有自已的状态方程,可由实验数据,通过某些假设,推导出近似方程。,(六)过程与途径,过程:在一定环境条件下,系统发生由始态到终态的变化,称系统发生了一个过程,简称过程。通常分P、T、V简单的物理过程、相变过程和化学变化过程等。 P、T、V简单的物理过程分为:
8、 等T、等P、等V、绝热及循环过程 等压过程:系统的始态压强等于终态的压强,且等于环境的压强的过程。 P始P终Pamb常数 等外压过程:系统在环境压力恒定的状态下变化,最终系统压力等于外压的过程。 P终Pamb常数 途径:系统由始态到终态变化可以经一个或多个不同的步骤来完成,这种具体的步骤称为途径。 状态函数的变化只与系统的始终态有关,而与变化的具体途径无关。,2019/5/6,(七)热和功,Q和W都不是状态函数,其数值与变化途径有关。,体系吸热,Q0;,体系放热,Q0 。,热(heat) 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:,功(work) 体系与环境之间传递
9、的除热以外的其它能量都称为功,用符号W表示。它可分为体积功和非体积功两大类,其值等于强度性质与广度性质的变化的乘积。 W 体-P外dV W的取号:,环境对体系作功,W0;,体系对环境作功,W0 。,2019/5/6,12 热力学第一定律,热功当量,能量守恒定律,热力学能,第一定律的文字表述,第一定律的数学表达式,2019/5/6,一、热功当量,焦耳(Joule)和迈耶(Mayer)自1840年起,历经20多年,用各种实验求证热和功的转换关系,得到的结果是一致的。 即: 1 cal = 4.1840 J,这就是著名的热功当量,为能量守恒原理提供了科学的实验证明。,2019/5/6,二、能量守恒定
10、律,能量守恒与转化定律可表述为:,自然界的一切物质都具有能量,能量有各种不同形式,能够从一种形式转化为另一种形式,但在转化过程中,能量的总值不变。,2019/5/6,三、热力学能(内能),热力学能(thermodynamic energy)以前称为内能(internal energy),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。,2019/5/6,四、第一定律的文字表述,热力学第一定律(The First Law of Thermodynami
11、cs),是能量守恒与转化定律在热现象领域内所具有的特殊形式,说明热力学能、热和功之间可以相互转化,但总的能量不变。,也可以表述为:第一类永动机是不可能制成的。第一定律是人类经验的总结。,2019/5/6,五、第一定律的文字表述,第一类永动机(first kind of perpetual motion mechine),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。,2019/5/6,六、第一定律的数学表达式,U = Q + W,对微小变化: dU =
12、Q +W (环境对体系各值均为正, W体 =-p外dV),因为热力学能是状态函数,数学上具有全微分性质,微小变化可用dU表示;Q和W不是状态函数,微小变化用表示,以示区别。,也可用U = Q - W表示,两种表达式完全等效,只是W的取号不同。用该式表示的W的取号为:环境对体系作功, W0 。,2019/5/6,13 准静态过程与可逆过程,功与过程,准静态过程,可逆过程,2019/5/6,一、功与过程,1.自由膨胀(free expansion),2.等外压膨胀(pe保持不变),因为,体系所作的功如阴影面积所示。,设在定温下,一定量理想气体在活塞筒中克服外压 Pe ,经4种不同途径,体积从V1膨
13、胀到V2所作的功。,2019/5/6,一、功与过程,2019/5/6,3.多次等外压膨胀,(1)克服外压为 ,体积从 膨胀到 ;,(2)克服外压为 ,体积从 膨胀到 ;,(3)克服外压为 ,体积从 膨胀到 。,可见,外压差距越小,膨胀次数越多,体系对环境所做的功也越多。,所作的功等于3次作功的加和。,一、功与过程,2019/5/6,一、功与过程,2019/5/6,4.外压比内压小一个无穷小的值,外相当于一杯水,水不断蒸发,这样的膨胀过程是无限缓慢的,每一步都接近于平衡态。所作的功为:,这种过程近似地可看作可逆过程,体系对环境所作的功最大。,一、功与过程,2019/5/6,一、功与过程,2019
14、/5/6,功与过程,1.一次等外压压缩,在外压为 下,一次从 压缩到 ,环境对体系所作的功(即体系得到的功)为:,压缩过程,将体积从 压缩到 ,有如下三种途径:,2019/5/6,功与过程,2019/5/6,功与过程,2.多次等外压压缩,第一步:用 的压力将体系从 压缩到 ;,第二步:用 的压力将体系从 压缩到 ;,第三步:用 的压力将体系从 压缩到 。,整个过程所作的功为三步加和。,2019/5/6,功与过程,2019/5/6,功与过程,3.可逆压缩,如果将蒸发掉的水气慢慢在杯中凝聚,使压力缓慢增加,由V2恢复到原状V1,所作的功为:,则体系和环境都能恢复到原状。,2019/5/6,功与过程
15、,2019/5/6,功与过程,从以上的膨胀与压缩过程看出,功与变化的途径有关。虽然始终态相同,但途径不同,所作的功也大不相同。显然,可逆膨胀,体系对环境作最大功;可逆压缩,环境对体系作最小功。,功与过程小结:,2019/5/6,二、准静态过程(guasistatic process),在过程进行的每一瞬间,体系都接近于平衡状态,以致在任意选取的短时间dt内,状态参量在整个系统的各部分都有确定的值(平衡态),整个过程可以看成是由一系列极接近平衡的状态所构成,这种过程称为准静态过程。,准静态过程是一种理想过程,实际上是办不到的。上例无限缓慢地压缩和无限缓慢地膨胀过程可近似看作为准静态过程。,201
16、9/5/6,三、可逆过程(reversible process),体系经过某一过程从状态(1)变到状态(2)之后,如果能使体系和环境完全恢复到原来的状态,则该过程称为热力学可逆过程。否则为不可逆过程。,上述准静态膨胀过程若没有因摩擦等因素造成能量的耗散,可看作是一种可逆过程。过程中的每一步都接近于平衡态,可以向相反的方向进行,从始态到终态,再从终态回到始态,体系和环境都能恢复原状。,2019/5/6,四、可逆过程(reversible process),可逆过程的特点:,(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;,(3)体系变化一个循环后,体系和环境均恢复原态,变
17、化过程中无任何耗散效应( );,(4)等温可逆过程中,体系对环境(膨胀)作最大功,环境对体系(压缩)作最小功。,(2)过程中的任何一个中间态都可以从正、逆两个 方向到达;,2019/5/6,五、常见的状态变化过程,(1)等温过程(isothermal process) 在变化过程中,体系的始态温度与终态温度 相同,并等于环境温度。,(2)等压过程(isobaric process) 在变化过程中,体系的始态压力与终态压力 相同,并等于环境压力。,(3)等容过程(isochoric process) 在变化过程中,体系的容积始终保持不变。,2019/5/6,五、常见的状态变化过程,(4)绝热过程
18、(adiabatic process) 在变化过程中,体系与环境不发生热的传递。对那些变化极快的过程,如爆炸,快速燃烧,体系与环境来不及发生热交换,那个瞬间可近似作为绝热过程处理。,(5)循环过程(cyclic process) 体系从始态出发,经过一系列变化后又回到了始态的变化过程。在这个过程中,所有状态函数的变量等于零。,2019/5/6,1.4 焓 (enthalpy),由热力学第一定律可知: U = Q W 可知,焓不是能量 虽然具有能量的单位,但不遵守能量守恒定律。,焓是状态函数 定义式中焓由状态函数组成。,如果体系只做体积功,体系的变化为等容过程,则V0,因此 W0, UQV 如果
19、体系的变化为等压过程,即P1=P2=P外 U2-U1=Qp-p(V2-V1) Qp=(U2+pV2)-(U1+pV1) 定义: HU+pV 为热焓 HQP QP 容易测定,从而可求其它热力学函数的变化值。,2019/5/6,1.5 热容 (heat capacity),对于组成不变的均相封闭体系,不考虑非膨胀(非体积)功,设体系吸热Q,温度从T1 升高到T2,则:,(温度变化很小),平均热容定义:,单位,2019/5/6,比热容:,它的单位是 或 。,规定物质的数量为1 g(或1 kg)的热容。,规定物质的数量为1 mol的热容。,摩尔热容Cm:,单位为: 。,1.5 热容 (heat cap
20、acity,2019/5/6,1.5 热容 (heat capacity),等压热容Cp:dH= Qp=CpdT=nCp,m dT,等容热容Cv: dU= QV=CVdT=nCV,m dT,2019/5/6,热容与温度的函数关系因物质、物态和温度区间的不同而有不同的形式。例如,气体的等压摩尔热容与T 的关系有如下经验式:,1.5 热容 (heat capacity),热容与温度的关系:,或,式中a,b,c,c,. 是经验常数,由各种物质本身的特性决定,可从热力学数据表中查找。,2019/5/6,16 热力学第一定律对理想气体的应用,盖吕萨克焦耳实验,理想气体的热力学能和焓,理想气体的Cp与Cv
21、之差,绝热过程,2019/5/6,一、Gay-Lussac-Joule实验,将两个容量相等的容器,放在水浴中,左球充满气体,右球为真空(如上图所示)。,水浴温度没有变化,即Q=0;由于体系的体积取两个球的总和,所以体系没有对外做功,W=0;根据热力学第一定律得该过程的 。,盖吕萨克1807年,焦耳在1843年分别做了如下实验:,打开活塞,气体由左球冲入右球,达平衡(如下图所示)。,2019/5/6,一、Gay-Lussac-Joule实验,2019/5/6,二、理想气体的热力学能和焓,从盖吕萨克焦耳实验得到理想气体的热力学能和焓仅是温度的函数,用数学表示为:(证明见教材P34),即:在恒温时,
22、改变体积或压力,理想气体的热力学能和焓保持不变。还可以推广为理想气体的Cv,Cp也仅为温度的函数。,2019/5/6,四、理想气体的Cp与Cv之差,气体的Cp恒大于Cv。对于理想气体:,因为等容过程中,升高温度,体系所吸的热全部用来增加热力学能;而等压过程中,所吸的热除增加热力学能外,还要多吸一点热量用来对外做膨胀功,所以气体的Cp恒大于Cv 。,2019/5/6,一般封闭体系Cp与Cv之差,根据复合函数的偏微商公式(见P459),代入上式,得:,2019/5/6,一般封闭体系Cp与Cv之差,对理想气体,,所以,2019/5/6,一般封闭体系Cp与Cv之差,证明:,代入 表达式得:,设:,20
23、19/5/6,一般封闭体系Cp与Cv之差,重排,将 项分开,得:,对照 的两种表达式,得:,因为 也是 的函数,,2019/5/6,五、绝热过程(addiabatic process),绝热过程的功,在绝热过程中,体系与环境间无热的交换,但可以有功的交换。根据热力学第一定律:,这时,若体系对外作功,热力学能下降,体系温度必然降低,反之,则体系温度升高。因此绝热压缩,使体系温度升高,而绝热膨胀,可获得低温。,五、绝热过程(addiabatic process),对于理想气体,dU=CvdT,p=nRT/V, 对于绝热可逆过程:由dU=-p外dV=-pdV可知 CvdT/T=-nRdV/V,求不定
24、积分有 对于理想气体,Cp-Cv=nR,令 得:,2019/5/6,五、绝热过程(addiabatic process),绝热过程方程式,理想气体在绝热可逆过程中, 三者遵循的关系式称为绝热过程方程式,可表示为 (P37),式中, 均为常数, 。,在推导这公式的过程中,引进了理想气体、绝热可逆过程和 是与温度无关的常数等限制条件。,2019/5/6,六、绝热过程(addiabatic process),绝热可逆过程的膨胀功,理想气体等温可逆膨胀所作的功显然会大于绝热可逆膨胀所作的功,这在P-V-T三维图上看得更清楚。,在P-V-T三维图上,黄色的是等压面;兰色的是等温面;红色的是等容面。,体系
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 热力学 第一 定律 及其 应用
链接地址:https://www.31doc.com/p-2706917.html