熱力學第一定律-(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 由 A ? B， 結論： ? 任意系統(tǒng)在狀態(tài)一定時 ， 系統(tǒng)內部的能量是一定值 ， 其變化值與狀態(tài)變化的途徑無關 ， 只與始態(tài) 、 終態(tài)的能量有關 。也即： “ 系統(tǒng)內部的能量值是一狀態(tài)函數(shù) 。 ” 內能的特性： U的絕對值 （ 如 UA， UB 等等 ） ， 至少必須確定某一狀態(tài) （ 如狀態(tài) A） 的內能絕對值 UA ， 則其他任一狀態(tài)的 Ui 絕對值就可以推算： Ui = UA + ?UA? i（ ?UA? i 實驗可測） （ 或測定 ）的 。 倘若認定某一狀態(tài)的內能為零 （ 如UA= 0） ， 那么其它任意狀態(tài)的內能值也就能確定了 。 ? 對于熱力學來說 ， 重要的是 內能的變化值?U（ 能量轉化 ） 而不是其絕對值大小 。 ? 因此熱力學不強求內能絕對值究竟是多少，而只要認識到它是系統(tǒng)的一個 狀態(tài)函數(shù)。 c. 由于 U 是一狀態(tài)函數(shù) ， 即確定的狀態(tài)有確定的 U 值 。 ? 對于純物質單相封閉系統(tǒng) ， 我們可用任意兩個狀態(tài)函數(shù)來確定系統(tǒng)的狀態(tài) 。 ? 例如上圖中的 （ V， P） ， 而內能 U 也就可看作是體積 V 和壓力 P 的函數(shù)： U = U（ V， P） ? 已知狀態(tài)函數(shù)的無限小變量 ?U 可用全微分 dU 表示 ， 根據(jù)多變量函數(shù)的微分學 ， U ( P, V ) 的全微分可寫作： dU = (?U/?P)V dP + (?U/?V)P dV ? 同理，對于純物質單相封閉系統(tǒng)，有： U = U(T,V ) dU = (?U/?T)V dT + (?U/?V)T dV U = U( P,T )， dU = (?U/?T)P dT + (?U/?P)T dP ? 通常用實驗易測量值，如 P、 T、 V 等，作為獨立變量函數(shù)。 三、熱和功 ?當系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化 ， 并引起系統(tǒng)的能量變化時 ， 則這種能量變化必須依賴于系統(tǒng)和環(huán)境之間的能量傳遞來實現(xiàn) 。 ?這種能量的傳遞可分為兩種方式 ， 一種叫做 “ 功 ” ， 一種叫做 “ 熱 ” 。 ?“ 熱 ” — 有溫度差存在情況下的能量傳遞形式叫做 “ 熱 ” ? “ 功 ” — “ 熱 ” 以外其他能量傳遞形式叫做功 ， 如：體積功 、 表面功 、 電功等 。 1. 熱和功產生的條件： ? 熱和功的產生與系統(tǒng)所進行的狀態(tài)變化過程相聯(lián)系 ， 沒有狀態(tài)的變化過程就沒有熱和功的產生 。 2. 熱和功的性質 ?熱和功不是狀態(tài)函數(shù) ， 它的大小與系統(tǒng)狀態(tài)變化的途徑有關 。 ?即從狀態(tài) A ? 狀態(tài) B， 系統(tǒng)和環(huán)境間的熱或功的傳遞量與其變化途徑有關 ， 不同的變化途徑可能得到不同大小的熱和功 。 ?所以不能說系統(tǒng)在某一狀態(tài)下有多少熱 、多少功 （ 這與內能 U 有區(qū)別 ） 。 3. 符號表示： ?功 W： 系統(tǒng)對環(huán)境做功為負值，反之為正值。 ?熱 Q： 系統(tǒng)吸熱 Q 為正值，反之 Q 為負值。 四、熱力學第一定律的數(shù)學表達式 ? 當一系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生某一任意變化時 ，假設系統(tǒng)與環(huán)境的熱交換量為 Q， 同時環(huán)境的功交換為 W， 那末根據(jù)熱力學第一定律 ， 應有下列公式： ?U = Q＋ W （ 封閉系統(tǒng) ） 注意： ① 上式中 Q、 W、 ?U 均為代數(shù)值 ， 可負 ，可正 。 ?U = Q＋ W ② 如果系統(tǒng)狀態(tài)只發(fā)生一無限小量的變化，則上式可寫為： dU = ?Q＋ ?W （ 封閉系統(tǒng)） ∵ U 是狀態(tài)函數(shù)， ∴ 可用全微分 dU 表示其微小變量 ?U。 而 Q、 W 不是狀態(tài)函數(shù) ， 只能用 ?Q、 ?W表示其微小變量 ， 其大小與過程有關 。 例 1： 設有一電熱絲浸于水中 ， 通以電流 ， 如果按下列幾種情況作為系統(tǒng) ， 試問 ?U、 Q、 W 的正 、 負號或零 。 a） 以電熱絲為系統(tǒng)； b） 以電熱絲和水為系統(tǒng)； c） 以電熱絲、水、電源和絕熱層為系統(tǒng)； d） 以電熱絲、電源為系統(tǒng)。 解答： ?U Q W a） + － ＋ b） + － ＋ c） 0 0 0 d） － － 0 五 、 膨脹功 （ 體積功 ） ： We 1. 定義： 系統(tǒng) （ 如：氣體 ） 在膨脹過程中對環(huán)境做的功即膨脹功 。 ?膨脹功在熱力學中有著特殊的意義 ， 事實上 ， 膨脹功稱 體積功 更確切 （ 包括系統(tǒng)被壓縮時環(huán)境對系統(tǒng)的做功 ） 。 ?由于系統(tǒng)膨脹要對抗外壓做功，所以微量體積功 ?We 表示為： ?We = － P外 ?dV 式中 P外 為環(huán)境加在系統(tǒng)上的外壓，即環(huán)境壓力 P環(huán) 。 2. 膨脹功 We計算 ?設一圓筒的截面積為A， 筒內有一無重量 、無摩擦的理想活塞 ，活塞上的外壓 （ 環(huán)境 壓力）為 P外 ，則活塞所受的外壓力為 P外 ?A，當氣體等溫膨脹使活塞向上推了 dl 的距離時，系統(tǒng)對環(huán)境所做的功為： ?We = － F?d l = － P外 ?A?d l = － P外 ?dV （ dV為膨脹時系統(tǒng)體積的變化值） ? 由于功不是狀態(tài)函數(shù) ，而與途徑有關 ， 當上述氣缸 （ 系統(tǒng)的體積 ） 從V1 膨脹到 V2 時 ， 根據(jù)膨脹方式的不同 ， 系統(tǒng)對外所做的功也不同 。 ? 不同過程膨脹功 1） 向真空膨脹 ?此時施加在活塞上的外壓為零， P外 = 0， ∴ 系統(tǒng)在膨脹過程中沒有對外做功，即： ? ????21VVe0dVPW 外2） 系統(tǒng)在恒