天津大学物理化学第二章热力学第一定律ppt课件.ppt
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1、热力学是自然科学中建立最早的学科之一,1. 第一定律:能量守恒,解决过程的能量衡算 问题(功、热、热力学能等),2. 第二定律:过程进行的方向判据,3. 第三定律:解决物质熵的计算,第二章 热力学第一定律,2.1 基本概念和术语,1.系统与环境2.状态与状态函数 过程与途径功和热 5.热力学能,1. 系统与环境,系统:作为研究对象的那部分物质 环境:系统以外与之相联系的那部分物质,系统与环境的相互作用,物质交换,能量交换,传热,作功,封闭系统(closed system): 与环境间无物质交换,有能量交换;,三类系统:,隔离(孤立)系统(isolated system): 与环境间无物质交换,
2、无能量交换;,敞开系统(open system): 与环境间有物质交换,有能量交换,2. 状态与状态函数,状态函数:系统处于平衡态时的热力学性质(如U、H、p、V、T 等)是系统状态的单质函数,故称为状态函数。,(1)状态与状态函数,系统的性质:决定系统状态的物理量(如p,V,T,Cp,m),系统的状态:热力学用系统所有的性质来描述它所处的状态,当系统所有性质都有确定值时,则系统处于一定的状态,状态函数的概念非常重要,热力学主要是跟状态函数打交道,其共同特征:,B 体系的始态、终态确定,状态函数的改变量就有定值;而与变化过程和具体途经无关;无论经历多复杂的变化,只要系统恢复原态,状态函数恢复原
3、值,因此对于循环过程,状态函数的改变量为零。,A 体系的状态一定,状态函数有确定值;与系统达到该状态前的变化经历无关。,C 状态函数之间互为函数关系。,一般来说,质量一定的单组分均相体系,只需要指定两个状态函数就能确定它的状态。另一个通过PV=nRT的关系也就随之而定了,从而体系的状态也就确定了。,例如对于一定量气体,体积V、温度T、 压力P。可把T 、P当作状态变量,V当作它们的函数,记为V=f(T,P);也可把P当作V、T的函数,记为P=f(T,V) 。,状态函数是相互联系,相互制约,一个状态函数的 改变,也会引起另一个状态函数的改变 。,状态函数特点:,状态改变,状态函数值至少有一个改变
4、,异途同归,值变相等,周而复始,其值不变,定量,组成不变的均相流体系统,任一状态函数是是另外两个状态函数的函数,如V= f(T,p),状态函数具有全微分特性:,(2)状态函数的分类广度量和强度量,强度量:没有加和性(如p、 ),广度量:具有加和性(如、m、),状态函数,按状态函数的数值是否与物质的数量有关,将其分为广度量(或称广度性质)和强度量(或称强度性质)。,两者的关系: 广度量与广度量的比是强度性质,例如,定压热容, Cp,为广度量,物质的量n为广度量,摩尔定压热容Cp , m为强度量。,(3)平衡态,当系统与环境间的联系被隔绝后,系统的热力学性质不随时间而变化,就称系统处于热力学平衡态
5、。,热力学研究的对象就是处于平衡态的系统。,4) 化学平衡chemical equilibrium:系统组成不随时间变化。,系统处于平衡态应满足:,1) 热平衡 heat equilibrium:系统各部分T相同;,2) 力平衡 force equilibrium:系统各部分p相同;,3) 相平衡 phase equilibrium:物质在各相分布不随时间变化;,3. 过程与途径,过程 系统由某一状态变化为另一状态的经历(或经过)。,途径 实现某一个过程的具体步骤。一个途径可以由一个 或几个步骤组成,中间可能经过多个实际的或假想 的中间态。,末态H2O(g),100C101.325 kPa,始
6、态H2O(l), 80C47.360 kPa,同样始末态间不同途径的举例:,1) 恒温过程: 变化过程中(系) = T(环) = 定值(dT=0) (始) = T(终),为等温过程)(T=0),根据过程进行的特定条件 ,分为:,2) 恒压过程: 变化过程中p(系) = p(环) = 定值(dp=0) (始)=(终),为等压过程 )(p=0),5) 循环过程: 经历一系列变化后又回到始态的过程。 循环过程前后所有状态函数变化量均为零 。,3) 恒容过程: 过程中系统的体积始终保持不变,体积功 W=0,4) 绝热过程: 系统与环境间无热交换的过程,过程热 Q0,4. 功和热,功和热都是能量传递过程
7、中表现出来的形式,不是能量存在的形式,功用 符号表示。单位 J。 符号规定:系统得到环境所作的功时 系统对环境作功时,1) 功(Work),体积功:系统因体积变化反抗环境压力而与环境交换的能量。,非体积功:体积功之外的一切其它形式的功。以符号W 表示。,体积功:系统因体积变化反抗环境压力而与环境交换的能量。,体积功的定义式:,体积功的计算式,恒(外)压过程,自由膨胀过程 pamb=0 W=0,恒容过程 dV0 W0,功是途径函数,始末态相同,但功不同:,故过程的功为途径函数,表示:微量功记作,例 2.2.1 始态 T =300 K ,p1 = 150 kPa 的某理想气体,n=2 mol,经过
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