第一章 热力学的基本规律 Fundamental of thermodynamics
第一章 热力学的基本规律 Fundamental of Thermodynamics
§15热力学第一定律 (The first law of thermodynamics) 上节讨论了功的表达式。作功是系统和外界相互作过 程中传递能量的一种方式。当系统和外界通过作功的方式传递 能量时,系统的外参量必然发生变化。除了作功的方式以外 系统还可以通过传递热量的方式与外界交换能量。例如,当系 统和另一物体(外界)相接触时,如果者的温度不相等,中间 又没有绝热壁隔断,彼此将发生热量交换。在发生热量交换时 系统的外参量并不改变,能量是通过在接触面上分子的碰撞和 热辐射而传递的。我们在以后将会看到,作功和传热两种传 递能量的方式有重要的差异。在本节中我们将讨论在过程 中能量传递和转化的规律,并总结出热量的科学定义
上节讨论了功的表达式。作功是系统和外界相互作过 程中传递能量的一种方式。当系统和外界通过作功的方式传递 能量时，系统的外参量必然发生变化。除了作功的方式以外， 系统还可以通过传递热量的方式与外界交换能量。例如，当系 统和另一物体(外界)相接触时，如果两者的温度不相等，中间 又没有绝热壁隔断，彼此将发生热量交换。在发生热量交换时， 系统的外参量并不改变，能量是通过在接触面上分子的碰撞和 热辐射而传递的。我们在以后将会看到，作功和传热两种传 递能量的方式有重要的差异。在本节中我们将讨论在过程 中能量传递和转化的规律，并总结出热量的科学定义。 §1.5 热力学第一定律 (The first law of thermodynamics)
准静态过程 Quasi- static process 平衡态:不受外界影响时,系统的宏观性质不随时闾改变。 系統从某一平衡状态到另一平衡状态的变化的 (热力学)过程。 过程中的每一状态都是平衡态( quilibrium state)的称为准静态过程或平衡过程。 只有把这种理規而简单的情况搞清楚。才有助于我 们对实际问题的探讨。这种模型中每个恋视为平衡 忞。有确定的状态参量,否则不能进行讨论。下面 我们主要研究平衡态和平衡过程
过程中的每一状态都是平衡态 (Equilibrium state ) 的称为准静态过程或平衡过程 。 系统从某一平衡状态到另一平衡状态的变化的 （热力学）过程。 只有把这种理想而简单的情况搞清楚，才有助于我 们对实际问题的探讨。这种模型中每个态视为平衡 态，有确定的状态参量，否则不能进行讨论。下面 我们主要研究平衡态和平衡过程。 一、准静态过程 Quasi-static process 平衡态：不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间改变
准静态过程举例 举例1:外界对系统做功过程无限缓慢 NN非平衡态到平衡态的过渡时间, 即弛豫时间,约103秒,如果 实际压缩一次所用时间为1秒, NN就可以说是准静态过程。 Quasi-static process 外界压强总比系统压强大一小量△P,就可以缓慢压缩
举例1：外界对系统做功 u 过程无限缓慢 非平衡态到平衡态的过渡时间， 即弛豫时间，约 10 -3 秒 ，如果 实际压缩一次所用时间为1 秒， 就可以说 是准静态过程。 Quasi-static process 外界压强总比系统压强大一小量△P ， 就可以 缓慢压缩。 准静态过程举例
举例2:系统(初始温度丌)从外界吸热,经过下 图所示过程,则:从万—五是准静态过程 如果系统温度们1直接与热 系统T 原接触,最终达到热平衡 ,则不是准静态过程。 等温过程 等容过程 P 等压过程 T1+△TT1+2△TT1+3△T 因为状态图中任何一点都表 示系统的一个平衡恋。故准静态 循环过程 过程可以用系统的状态图。如 P图图(或P图图,V图)中 条曲线表示,反之亦如此
T1+△T T1+2△T T1+3△T T2 系统T1 如果系统 温度 T1 直接与 热 源 T2 接触，最终达到热平衡 ，则不是 准静态过程。 因为状态图中任何一点都表 示系统的一个平衡态，故准静态 过程可以用系统的状态图，如 P-V图（或P-T图，V-T图）中 一条曲线表示，反之亦如此。 V P o 等温过程 等容过程 等压过程 循环过程 举例2：系统（初始温度 T1）从 外界吸热，经过下 图所示过程，则： 从 T1 T2 是准静态过程
二、功、热量、内能(work,Heat, Internal energy) 做功可以改变系统的状态 摩擦升温(机械功)、电加热(电功) 功是过程量(path- dependent quantity) P 摩擦功:dA=fl 电功:dA=Ur=Uld 通常:微量功=广义力×广义位移 准静态过程气体对外界做功:dA=Pl 总功:A=dA=Pv
二、功、热量、内能 (Work, Heat, Internal energy) • 做功可以改变系统的状态 • 摩擦升温（机械功）、电加热（电功） 摩擦功： dA f dl = r 电功： dA = IUdt = Udq 通常： 微量功 = 广义力×广义位移 准静态过程气体对外界做功： P V 1 2 A 总功： dA= PdV = = 2 1 V V A dA PdV •功是过程量 (path-dependent quantity)
内能U( internal energy 1、定义:除蓬体动能、体势能以外的系统中 切形式的能量(如分子的平动能、转动能、振动 能、电子运动能及原子核内的能等等)。 2、物理意义:衰示系统的状态。是系统的状恋函数。 3、内能是广延量。是标量,元方向。 单位,耳(J)。 4、内能的绝对值现在无法测量,但对热力学来说, 重要的是△U△U=-她热 5、d在数学上是全微分。OU dT+ OT
1、定义：除整体动能、整体势能以外的系统中一 切形式的能量(如分子的平动能、转动能、振动 能、电子运动能及原子核内的能等等)。 ２、物理意义：表示系统的状态，是系统的状态函数。 ３、内能是广延量。 是标量，无方向。 单位，焦耳（J）。 ４、内能的绝对值现在无法测量，但对热力学来说， 重要的是ΔU。 ΔU = – W绝热 ５、dU在数学上是全微分。 dV V U dT T U dU V T + = 内能U（internal energy）
证明:系统状态一定时,内能值就为定值。(反证法) 系统状态从A经1或2到B,AU1=UB-UA,AU2 B 若假设AU/1>△U2 系统状态1>B-2A 次循环△U=△U1-△U2>0 如此每经过一次循环,内能就自动增加了。就有多余的能量产 生不断循环进行,就构成了第一类永动机 所以原假设不成立,即△U1=△U2 推论:系统状态发生变化时,系统的内能变化只决 定于始终忞,而与变化途径无关
证明：系统状态一定时，内能值就为定值。（反证法） 系统状态从A经1或2到B ，ΔU1=UB–UA=ΔU2 若假设ΔU1>ΔU2 系统状态 A ⎯→B ⎯→ A 1 2 一次循环ΔU=ΔU1 –ΔU2>0 如此每经过一次循环，内能就自动增加了。就有多余的能量产 生不断循环进行，就构成了第一类永动机 所以原假设不成立，即ΔU1=ΔU2 。 推论：系统状态发生变化时，系统的内能变化只决 定于始终态，而与变化途径无关。 A 1 B 2 p V
·系統的内能是状态量( state-dependent quantity) 同PV等状态参量 内能的变化量 理翘气体 AEM=dE=E2-El E 只与初、京态有关 2 VRT 与过程元类
• 系统的内能是状态量(state-dependent quantity) • 同 P、V、T 等状态参量 2 1 2 1 E12 = dE = E − E 内能的变化量： RT i E 2 = 只与初、末态有关 ，与过程无关！ 理想气体 ：
热量:系统和外界温度不同,就会传热, 或称能量交换,热量传递可以改变系统的状态。 熟量是过程量(path- dependent quantity >0表示系统从外界吸热; 微小热量: <0表示系统向外界放热。 2 总热量:Q=dQ积分与过程有关
热量：系统和外界温度不同，就会传热， 或称能量交换，热量传递可以改变系统的状态。 微小热量 ： > 0 表示系统从外界吸热； < 0 表示系统向外界放热。 总热量： 积分与过程有关 。 热量是过程量 (path-dependent quantity) dQ = 2 1 Q dQ