热力学第一定律
一、基本概念
1、系统与环境
敞开系统:与环境既有能量交换又有物质交换的系统。

封闭系统:与环境只有能量交换而无物质交换的系统。

(经典热力学
主要研究的系统)
孤立系统:不能以任何方式与环境发生相互作用的系统。

2、状态函数:用
于宏观描述热力学系
统的
宏观
参量,例如物质的量n、温度T、压强p、体积V等。

根据状态函数的特点,我们把状
态函数分成:广度性质与强度性质两大类。

广度性质:广度性质的值与系统中所含物质的量成正比,如体积、质量、熵、热容等,这种性质的函数具有加与性,就是数学函数中的一次函数,即物
质的量扩大a倍,则相应的广度函数便扩大a倍。

强度性质:强度性质的值只与系统自身的特点有关,与物质的量无关,如温度,压力,密度,摩尔体积等。

注:状态函数仅取决于系统所处的平衡状态,而与此状态的历史过程无关,一旦系统的状态确定,其所有的状态函数便都有唯一确定的值。

二、热力学第一定律
热力学第一定律的数学表达式:
对于一个微小的变化状态为:
dU=
公式说明:dU表示微小过程的内能变化,而δQ与δW则分别为微小过程的热与功。

它们之所以采用不同的符号,就是为了区别dU就是全微分,而δQ与δW不就是微分。

或者说dU与过程无关而δQ与δW却与过程有关。

这里的W既包括体积功也包括非体积功。

以上两个式子便就是热力学第一定律的数学表达式。

它们只能适用在非敞开系统,因为敞开系统与环境可以交换物质,物质的进出与外出必然会伴随着能量的增减,我们说热与功就是能量的两种传递形式,显然这种说法对于敞开系统没有意义。

三、体积功的计算
1、如果系统与环境之间有界面,系统的体积变化时,便克服外力做功。

将一定量的气体装入
一个带有理想活塞的容器中,活塞上部施加外压。

当气体膨胀微小体积为dV
时,活塞便向上移动微小距离dl,此微小过程中气体克服外力所做的功等于作用
在活塞上推力F与活塞上移距离dl的乘积
因为我们假设活塞没有质量与摩擦,所以此活塞实际上只代表系统与环境之间可以自由移动的界面。

因此推力F实际上就是作用于环境,而由产生的外力则作用于系统,两者属于作用
力与反作用力,若A代表活塞的体积,则,积分得到
2
1
外
d
V
V
W p V =-⎰
2、如果系统体积膨胀对环境做功,则W<0。

环境对系统做功体积压缩,则W>0。

3、若膨胀过程分为无穷多步完成,其中每一步都可以瞧成就是一个平衡态,则可逆膨胀做功计算公式为:
由上可知,功与变化的途径有关。

可逆膨胀,系统对环境做功最多;可逆压缩,环境对系统做的功最小。

热力学的一个过程,其中每一个步骤都可以在相反方向进行而不在环境中引起其她变化,我们称这样的过程叫可逆过程。

思考:有人说可逆过程可以理解成可以逆向进行的过程？
为什么热力学中计算体积功时不用内压用外压?
四、热的计算
1、等容热效应,由热力学第一定律可知,若系统不做非体积功,且等容条件下(体积功为0),则:
,
此结果表明,等容且不做非体积功过程的内能变化热效应等于系统等压热效应。

2、等压热效应,由热力学第一定律可知,系统在等压条件下,则:
由于等压过程中p就是常数,即dp=0我们定义H=U+pV,即。

对整个过程积分则得到:
此结果表明,等压且不做非体积功过程的热效应等于系统焓值的变化。

3、热容及简单的变温过程热的计算
在物理学中,热容的定义就是
其意义就是在没有非体积功的情况下,将系统的温度升高1K时所吸收的热量,由于热量与过程有关,所以在不同的过程中有不同的热容,我们需要掌握的就是等容热容与等压热容。

等容热容代表在等容条件下,系统升高1K时所吸收的热量,记作
在没有非体积功的条件下,于就是
由此可知,对于微小的等容简单变温过程有
若系统的温度由T1变成T2,则此式两端积分,得到
类似地,等压热容,在没有非体积功的条件下,于就是
由此可知,对于微小的等压简单变温过程有
若系统的温度由T1变成T2,则此式两端积分,得到
我们知道热容就是具有广度性质的函数,除以物质的量n之后,相应的热容就成为了摩尔等容热容与摩尔等压热容,这两个物理量则具有强度性质。

5、等容热容与等压热容的关系
6、理想气体的热容
由于理想气体的U与H只与温度有关,故
故对于理想气体,有
7、理想气体的绝热过程,我们需要掌握理想气体的绝热、可逆、且不做非体积功的三个过程方程,这部分大家去翻一翻教材吧。

五、实际气体的内能与焓
对于一定量的任意气体
所以
则实际气体任意过程的焓变要通过下式计算
Similarly, 对于一定量的任意气体
所以
则实际气体任意过程的内能变化要通过下式计算
以上内容就就是热力学第一定律的主要部分剌,希望能给大家一些帮助。