PPT《第二章热力学第一定律》

第二章热力学第一定律 热力学的研究对象 研究热、功和其他形式能量之间的相互转换及 其转换过程中所遵循的规律;

研究各种物理变化和化学变化过程中所发生的能量效应;

研究化学变化的方向和限度.

热力学的方法和局限性 热力学方法 研究对象是大数量分子的集合体,研究宏观性质,所得结论具有统计意义. 只考虑变化前后的净结果,不考虑物质的微观结构和反应机理. 能判断变化能否发生以及进行到什么程度,但不考虑变化所需要的时间. 局限性 不知道反应的机理、速率和微观性质,只讲可能性,不讲现实性. 体系与环境 体系(System) 在科学研究时必须先确定研究对象,把一部分物质与其余分开,这种分离可以是实际的,也可以是想象的.这种被划定的研究对象称为体系,亦称为物系或系统. 环境(surroundings) 与体系密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境. 体系分类 根据体系与环境之间的关系,把体系分为三类: (1)敞开体系(open system) 体系与环境之间既有物质交换,又有能量交换. 例如:工厂车间的反应釜;

精馏塔等. 体系分类 根据体系与环境之间的关系,把体系分为三类: (2)封闭体系(closed system) 体系与环境之间无物质交换,但有能量交换. 例如:在实验室进行的化学实验. 体系分类 根据体系与环境之间的关系,把体系分为三类: (3)孤立体系(isolated system) 体系与环境之间既无物质交换,又无能量交换,故又称为隔离体系.有时把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立体系来考虑. 体系分类 状态函数 体系的一些性质,其数值仅取决于体系所处的状态,而与体系的历史无关;

它的变化值仅取决于体系的始态和终态,而与变化的途径无关.具有这种特性的物理量称为状态函数(state function). 状态函数的特性可描述为:异途同归,值变相等;

周而复始,数值还原. 状态函数在数学上具有全微分的性质. 状态方程 体系状态函数之间的定量关系式称为状态方程(state equation ). 对于一定量的单组分均匀体系,状态函数T,p,V 之间有一定量的联系.经验证明,只有两个是独立的,它们的函数关系可表示为: T=f(p,V)p=f(T,V)V=f(p,T) 例如,理想气体的状态方程可表示为:pV=nRT 体系的性质 用宏观可测性质来描述体系的热力学状态,故这些性质又称为热力学变量.可分为两类: 广度性质(extensive properties) 又称为容量性质,它的数值与体系的物质的量成正比,如体积、质量、熵等.这种性质有加和性,在数学上是一次齐函数. 强度性质(intensive properties) 它的数值取决于体系自身的特点,与体系的数量无关,不具有加和性,如温度、压力等.它在数学上是零次齐函数.指定了物质的量的容量性质即成为强度性质,如摩尔热容. 体系的性质 例如:m公斤水的P,V,T,mol数N.X表示1公斤水相应的性质.V(mx)=mV(x),P(mx)=m0P(x), N(mx)=mN(x), 例如:火箭升空的过程中,加速度为a,火箭的速度V,高度H分别是时间t的一次、二次函数.V(t)=at, V(mt)=ant=mV(t)H(t)=at2/2, H(mt)=am2t2/2=m2 H(t). n次齐函数 热力学平衡态 当体系的诸性质不随时间而改变,则体系就处于热力学平衡态,它包括下列几个平衡: 热平衡(thermal equilibrium) 体系各部分温度相等. 力学平衡(mechanical equilibrium) 体系各部的压力都相等,边界不再移动.如有刚壁存在,虽双方压力不等,但也能保持力学平衡. 热力学平衡态 相平衡(phase equilibrium) 多相共存时,各相的组成和数量不随时间而改变. 化学平衡(chemical equilibrium ) 反应体系中各物的数量不再随时间而改变. 当体系的诸性质不随时间而改变,则体系就处于热力学平衡态,它包括下列几个平衡: 过程、途径 过程:系统从某一状态变化到另一状态的经历.途径:实现从始态到末态的具体步骤. 过程:一般含有连续的意思,在变化过程中,始终保持某一性质不变,例如恒温过程,恒压过程.途径:一般包含设计的几个步骤,或者是一个步骤.一个步骤相当于一个过程. 状态变化图 状态变化图:用图示的方法,描述体系变化过程中的状态、途径、过程、步骤的图. A点的坐标(VA,PA):表示体系在A状态时的热力学性质.过程a,恒容过程.过程c2,恒压过程.途径ACZ包含c1,c2两个步骤或两个过程. 热和功 功(work) Q和W都不是状态函数,其数值与变化途径有关. 体系吸热,Q>0;