材料熱力學第一定律

材料熱力學第一定律第1頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一授課內(nèi)容第一章熱力學第一定律第2頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一

熱力學是研究熱、和其它形式能量之間的轉換關系它包含當體系變化時所引起的物理量的變化。按照福勒(R.H.Fowler)在l93l年提出的建議，上述公理稱之為熱力學第零定律。熱力學第零定律是引出溫度概念建立溫標的基礎。若兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則他們彼此之間處于熱平衡。第3頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一無數(shù)事實證明：冷熱不同的兩個物體相接觸，它們的溫度逐漸接近，最后達到相同。這時，我們說兩個物體達到了熱平衡。熱力學第零定律也可以表示為：一切互為熱平衡的物體，具有相同的溫度。第4頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學第一定律§1-1熱功當量·····(為第一定律的建立奠定了實驗基礎)

1842年邁耶(Mayer)發(fā)表了《論無機性質的力》的論文，表述了物理、化學過程中各種力（能）的轉化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當量的人。

1843年焦耳在英國科學協(xié)會會議上宣讀了《論磁電的熱效應及熱的機械值》論文，強調(diào)了自然界的能是等量轉換、不會消滅的。焦耳先后用不同的方法做了400多次實驗，得出結論：熱功當量是一個普適常量，與做功方式無關。第5頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一§1-1熱功當量·····(為第一定律的建立奠定了實驗基礎)第一章熱力學第一定律

焦耳（Joule）和邁耶(Mayer)自1840年起，歷經(jīng)20多年，通過各種實驗求證熱和功的轉換關系，得到一致的結果，提出了“熱功當量”的概念”確立了熱功當量關系：1Joule=0.241cal后來更精確地測定為:1Joule=0.2389cal1847年，亥姆霍茲發(fā)表《論力的守恒》，第一次系統(tǒng)地闡述了能量守恒原理，從理論上把力學中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學反應等過程。它們不僅可以相互轉化，而且在量上還有一種確定的關系。第6頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一§1-2熱力學第一定律第一章熱力學第一定律能量守恒與轉化定律：自然界的一切物質具有能量，能量有各種不同形式，能夠從一種形式轉化為另一種形式，在轉化中，能的形式可以轉化，但能量的總值不變。將能量守恒定律應用到熱力學上，就是熱力學第一定律。第7頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一熱力學第一定律反映了系統(tǒng)對外作功必須從外界吸收熱量或者減少系統(tǒng)內(nèi)能，即第一類永動機不可能實現(xiàn)。約280年前，有位德國博士奧爾菲留斯發(fā)明了一個“永動機”

—自動輪。最后騙局被博士先生的女仆揭穿了。原來這間安放自動輪的房子里修了一個夾壁墻，只要有人在夾壁墻內(nèi)牽動繩子，輪子就會轉。輪子不是“永動”的，而是“人動”的。

第一章熱力學第一定律第8頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學第一定律德國科學家R.Clausius是第一位把熱力學第一定律用數(shù)學形式表達出來的人。1850年，Clausius所發(fā)表論文中，以水蒸發(fā)為例，認為物體熱量的增加量dQ等于物體中熱量的變化dH、內(nèi)功的變化dJ和外功變化dW的和，即：Clausius沒有對U命名，次年LordKelvin稱U為內(nèi)能（internalenergy）。§1-2熱力學第一定律第9頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學第一定律§1-2熱力學第一定律熱力學第一定律的數(shù)學表達形式：ΔU=Q+W(1-1)若體系發(fā)生微小的變化，內(nèi)能的變化

dU=δQ+δW······(1-2)物理意義：體系內(nèi)能的增量等于體系吸收的熱量減去體系對環(huán)境作的功。包括體系和環(huán)境在內(nèi)的能量守恒。第10頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一§1-4焓和比熱容第一章熱力學第一定律設體系在變化過程中只作體積功，不作其它功 對于準靜態(tài)δQ=dU-δW=dU+pdV（1-3）令H≡U+pV,H稱為焓或熱焓ΔH=ΔU+Δ(PV)dH=dU+d(PV)對于恒壓過程,dp=0δQ=dHΔH=Qp(1-4)

δQ=dHΔH=Qp(1-4)

對于恒容過程,dV=0δQV=dUΔU=QV(1-4)

第11頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學第一定律§1-4焓和比熱容熱容定義為當溫度變化很小時恒容熱容恒壓熱容

*當溫度由T1變化為T2時：第12頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一

1）焓是裝態(tài)函數(shù)，當始末兩平衡態(tài)確定后，系統(tǒng)的焓變也是確定的,與過程無關.

2）當系統(tǒng)分為幾個部分時，各部分的焓變之和等于系統(tǒng)的焓變.§1-5焓變計算第13頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學第一定律§1-5焓變計算[習題1]以旋塞隔開而體積相等的兩個玻璃球，分別貯有1molO2和1molN2，溫度均為25℃，壓力均為01.MPa。在絕熱條件下，打開旋塞使兩種氣體混合。取兩種氣體為系統(tǒng)，試求混合過程的Q、W、ΔU、ΔH

(設O2和N2均為理想氣體)[解]∵絕熱，∴Q=0∵系統(tǒng)的體積不變，∴W=0ΔU=Q+W=0ΔH=ΔU+Δ(PV)=CpΔT=0第14頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學第一定律§1-5焓變計算[習題2]已知液體Pb在1atm熱容Cp(l)=32.43?3.1×10-3TJ/(mol·K)固體Pb的熱容Cp(s)=23.56+9.75×10-3TJ/(mol·K)液體Pb熔點600K的凝固熱為4811.60J/mol求液體Pb過冷至590K凝固為固體ΔH如下圖所示，設計3個過程求ΔHa→dΔHa→d=ΔHa→b

+ΔHb→c

+ΔHc→d●590K液體Pba●590K固體Pbd④ΔHa→d

●600K固體Pbc②ΔHm③ΔHc→d●600K液體Pbb①ΔHa→b第15頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一第一章熱力學第一定律§1-5焓變計算ΔHa→d=ΔHa→b

+ΔHb→c

+ΔHc→dΔHb→c

=ΔHm(600K)=-H凝固ΔHa→d=ΔHa→b

+ΔHb→c

+ΔHc→d=305.85-4811.60-293.92=-4799●600K液體Pbb●600K固體Pbc●590K液體Pba●590K固體Pbd④ΔH

③②ΔHm①ΔHa→b第16頁，共17頁，2023年，2月20日，星期一[習題3]已知Sn在(熔點)505K時的熔化熱為7070.96J/mol,并有Cp(l)=34.69?9.20×10-3TJ/(mol·K)Cp(s)=18.49+26.36×10-3TJ/(mol·K)計算Sn在絕熱器內(nèi)過冷到495K時能自動凝固的分數(shù)[解]設體系為1molSn；其中xmol凝固為固體，(1-x)mol仍為液體，此時505K兩相共存按路徑a→b→c因體系絕熱，H值恒定(ΔHa→c

=0)∴ΔHa(液,495K)

→b