第二章热力学第一定律思维导图

U526703535

2023-02-16

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高中物理

热力学第一定律

卡诺循环

学习笔记

关于热力学第一定律相关知识

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思维导图大纲

化学热力学的研究对象和内容

研究对象化学现象和相关的物理现象

研究内容

第一定律：计算变化过程中的能量变化——热效应问题

第二定律：判断或解决变化的方向和限度的问题，以及相平衡和化学平衡中的有关问题

第三定律：关于低温现象的定律，解决有关化学平衡的计算问题

第零定律：为温度建立了严格的科学定义-

热平衡和热力学第零定律

热平衡

热力学第零定律

如果两个系统分别和处于谐定状态的第三个系统达到热平衡,则这两个系统彼此也将处于热平衡。

热力学第一定律

能量守恒定律：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。在转化中，能量的总值不变。

热力学能（是状态函数，用符号U表示）

1系统整体运动的动能

系统在外力场中的位能

热力学第一定律的数学表达式

文字表述：第一类永动机是不可能制成的；热力学第一定律是人类经验的总结

准静态过程与可逆过程

机械工：

系统做的膨胀功

一定理想气体在四种不同途径下所做的功

自由膨胀：外压pe=0，系统不对外做功

外压始终维持恒定：从状态1膨胀到状态2所做的功为

多次等外压膨胀：设由两个等外压过程组成，整个过程做的功为

由书本的图可知在始态、终态相同时，系统对环境分布等外压膨胀做的功比一步等外压膨胀的功多。依此类推分布越多，系统对外做的功也就越大。

可逆膨胀（外压总比内压小一个无限小的膨胀）当于水不断蒸发成水蒸气）：即始终使外压小于内压，且相差无限小，pi-pe=dp，直至膨胀到V2，做功为

若气体为理想气体且温度恒定，则做功为

可逆过程

系统变化一个循环后，系统和环境均恢复成原态，变化过程中无任何耗散效应

在等温可逆膨胀过程中，系统对环境做最大功；在等温可逆压缩过程中，环境对系统做最小功。

焓

系统的变化是等容且不做非膨胀功的条件下，系统的热力学能的变化等于等容热效应

系统的变化是等压且不做非膨胀功的条件下，

若将U+PV合并起来考虑，其数值也只由系统的状态决定，则热力学上把（U+PV）定义为焓，用H表示（焓是状态函数）

将焓带入上式，则得到等压且不做非膨胀功的条件下，系统的焓变等于等压热效应

热熔

定义：对没有相变和化学变化且不做非膨胀功的均相封闭系统，热容的定义是：系统升高单位热力学温度时所吸收的热，用符号c表示。单位是J/K

摩尔热容：热容/物质的量

等压过程中的热容称为定压热容，用Cp表示

定压摩尔热容Cp，m：定压热容/物质的量

等容过程中的热容称为定容热容，用CV表示

定容摩尔热容Cv，m：定容热容/物质的量

热力学第一定律对理想气体的应用

理想气体的热力学能和焓验

将两个较大而容量相等的导热容器放在水浴中，他们之间有旋塞连通，其一装满气体，另一抽为真空。打开旋塞观察气体本身和水浴温度的变化。

由实验得出：理想气体在自由膨胀中温度不变，热力学能不变。理想气体的热力学能和焓仅是温度的函数。

理想气体在等温时，改变体积，其热力学能不（设理想气体的热力学能是T，V的函数）

理想气体的热力学能仅是温度的函数,与体积和压力无关U=U(T)

理想气体的焓也仅是温度的函数，与体积和压力无关H=H（T）

理想气体的热力学能变化和焓变的计算

理想气体的Cp与Cv之差一对于理想气体：Cp-Cv=nR Cp，m-Cv，m=R 一气体的Cp恒大于Gv

绝热过程的功和过程方程式

绝热膨胀，可获低温

理想气体在绝热过程中的功（可用于绝热可逆和绝热不可逆过程，但要注意两种过程的终态温度不同）

理想气体等温可逆膨胀所作的功显然大于绝热可逆膨胀所作的功

绝热过程方程式（在绝热过程中的PV关系）

绝热攻的求算

理想气体绝热可逆过程的功

绝热状态变化过程的功（适用于定组成封闭系统的一般绝热过程）W=Cv（T2-T1）

卡诺循环

内燃机（汽车发动机）：吸气冲程-压缩冲程-点火-做功冲程-放气冲程

外燃机（斯特林燃机）左侧气缸高温，右侧气缸低温

卡诺循环（卡诺设想以理想气体为工作物质，从始态出发，历经四步，工作物质又回到始态

过程一：等温可逆膨胀：理想气体的温度不变，热力学能不变

过程二：绝热可逆膨胀：系统对外做功消耗热力学能

过程三:等温可逆压缩

过程四:绝热可逆压缩

热化学

等压热效应与等容热化学反应的热效应

等压热效应：反应在等压下进行所产生的热效应。如果不做非膨胀功，Qp=焓变

等容热效应：反应在等容条件下进行所产生的热效应。如果不做非膨胀功，Qv=热力学能的变化

反应热效应的取号：系统吸热为正值，放热为负值。

Qv与Qp的关系:

反应进度

特点

在反应进行到任意时刻，可以用任一反应物或生成物来表示反应的进度，所得值都是相同的

应用反应进度，必须与化学反应计量方程式相对应；当反应按所给反应的计量系数比例进行了一个单位的化学反应时，这时反应进度等于1摩尔。

hess定理

反应的热效应只与起始和终了的状态有关，而与变化途径无关。

反应焓变与温度的关系- -Ki rchhoff定律

若在积分区间物质发生相变,则要分段积分。

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2.29

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