第二章_热力学第一定律.ppt

热力学第一定律,第二章,2,热力学是专门探讨能量内涵、能量转换的科学，尤其专注于系统与外界环境间的能量交换问题，是结合工程、物理与化学的一门学问。热力学和“热”有关，和“力”也有关。热力学的应用范围很广，包括：引擎、涡轮机、压缩机、发电机、推进器、燃烧系统、冷冻空调系统、能源替代系统、生命支持系统及人工器官等。,热力学简介,3,热力学定律,热力学第零定律，两物体分别与第三个物体处于热平衡时，此两物体也处于热平衡的状态。热力学第一定律，1840，焦耳；能量守恒，研究变化过程热力学能、功、热之间的转换；热力学第二定律，18481850年，开尔文、克劳修斯等；系统变化的方向和限度，核心是熵；热力学第三定律，1912年，普朗克等；熵值的基准，第三定律熵。,4,第一个阶段：17世纪末到19世纪中叶 进行大量的实验和观察，制造出蒸汽机，就“热”的本质展开了研究和争论，为热力学理论的建立做了准备。,布莱克（Joseph Black，17281799,英国）发现冰融化时吸收热量但温度不变。发现相变热(1761),汤姆逊(Benjamin Thompson,17531814，又称拉姆福德伯爵(Count Rumford),美裔英国人)发现热功转换，热是能量的一种形式(1798),迈尔(Julius Robert Mayer,18141878，荷兰)能量守恒和转化定律（1842）,5,第二个阶段：19世纪中到19世纪70年代末 发展了热力学和分子运动论，这些理论的诞生与热功当量原理有关。该原理奠定了热力学第一定律的基础，而第一定律和卡诺理论结合，又导致热力学第二定律的形成；热功当量原理跟微粒说结合则导致了分子运动论的建立，以牛顿力学为基础的气体动力论开始发展起来。,焦耳(James Prescott Joule,18181889，英国)热力学第一定律（1843）。,克拉佩龙(Benoit-Pierre Clapeyron，17991864，法国)根据对蒸汽机的研究，首次提出热力学第二定律(1834)。,卡诺(Sadi Carnot，17961832,法国)，1824年“关于火的动力考察”，提出卡诺循环，研究蒸汽机效率(1824),6,威廉汤姆生(开尔文爵士，William Thomson(Lord Kelvin)，18241907，英国)，独立发现绝对零度(1851)，开尔文温标（1848）,开尔文的哥哥詹姆斯汤姆生(James Thomson,18221892,英国)首次使用“热力学(thermodynamics)”这个名词(1849),克劳修斯(Rudolf Clausius,18221888，德国)提出热力学第二定律(1850),首次引入平均自由程概念（1858），首次定义“熵”(1854)，提出“熵增原理”(1865)；首次用统计方法导出压力公式(1851)，引进自由程概念(1858)，获科普利奖。,能斯特(Walther Nernst,18641941，德国)提出热力学第三定律(1906)，于1920年获Nobel物理奖。,7,“热力学之父”开尔文,上帝要给人类科学，于是“牛顿”走上了历史的舞台；上帝要给人类工程，于是来了“开尔文”，从此产生了电机工程、资讯工程与机械工程。开尔文是位天才，10岁进大学，22岁剑桥大学就想聘他去当物理系主任，绝对温度 K 就来自于他姓氏的缩写。他提出了热力学第二定律，他首先压缩制出液氮，他铺设了环球信息的第一条电缆，发明了电子检流器，最先提出同位素放射理论的。因为他的发现，世界上每一个学习工程与理科的学生，打开课本，就会发现“能量”的观念贯穿了每一个物理与化学的公式，解释了每一个热、电、磁的运动，成为近代科技的基石。,8,第三个阶段：19世纪70年末到20世纪初 玻耳兹曼（Ludwig Edward Boltzmann）结合热力学与分子动力学的理论，建立了统计热力学，提出非平衡态理论基础，至二十世纪初吉布斯（J.Willard Gibbs）提出系统理论，建立了统计力学。,吉布斯(Josiah Willard Gibbs,18391903，美国)合并能和熵，引入(Gibbs)自由能概念(1876),玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann,18441906，奥地利)现代物理学奠基人。提出“各态遍历”原理(1971)，给出熵的微观状态方程(玻尔兹曼方程)(1877)。,麦克斯韦(James Clerk Maxwell,18311879，英国)创立电磁场理论，对气体分子运动论有很大贡献。引入“麦克斯韦妖(daemon)”来解释统计热力学(1871)，提出气体分子速率分布定律(1872)。,9,本章基本内容,热力学基本概念热力学第一定律气体pVT变化过程热力学计算相变化过程化学变化过程的计算真实气体变温过程（节流膨胀）,10,2.1 热力学基本概念,热力学系统与环境 系统：研究对象；环境：与系统相关的部分,11,状态与状态函数,状态：热力学性质（热力学量）取确定值的情况状态函数：系统的热力学性质称为状态函数，它们与状态相关。状态函数具有全微分特性。,思考题 系统的一个状态能否有不同的体积？系统的不同状态能否有相同的体积？系统的状态变了，是否其所有的状态函数都变？系统的某个状态函数变了，是否其状态必然改变？,12,热力学平衡状态,13,过程和途径,pVT变化相变化化学变化,过程,Tsys=Tamb,T2=T1,Q=0,状态函数变化为零,psys=pamb,p2=p1,V2=V1,dV=0,14,可逆过程系统经历某过程后，能够通过原过程的反向变化使系统和环境都回到原来的状态(在环境中没有留下任何变化)的过程。,可逆过程是在无限接近平衡条件下进行的过程，即：Tamb=TdT，pamb=p dp；可逆过程是一种理想化的过程。,15,2.2 热力学第一定律,研究系统的热力学能变(U)与过程的功(W)、热(Q)之间的关系，本质是能量守恒定律。,