131 功与过程.doc

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131 功与过程

第一章 热力学第一定律及其应用 1.1 热力学概论 1.1.1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。 1.1.2 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: 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。 封闭体系(closed system):体系与环境之间无物质交换,但有能量交换。 (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。 1.1.3 体系性质 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。 1.1.4 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。 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。 1.1.5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。 1.1.6 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) 1.1.6 热和功 热(heat):体系与环境之间因温差而传递的能量称为热,用符号Q 表示。 Q的取号:体系吸热,Q0;体系放热,Q0 。 功(work):体系与环境之间传递的除热以外的其它能量都称为功,用符号W表示。功可分为膨胀功和非膨胀功两大类。W的取号: 环境对体系作功,W0;体系对环境作功,W0 。 Q和W都不是状态函数,其数值与变化途径有关。 1.2 热力学第一定律 1.2.1 热功当量 焦耳(Joule)和迈耶(Mayer)自1840年起,历经20多年,用各种实验求证热和功的转换关系,得到的结果是一致的。 即: 1 cal = 4.1840 J 这就是著名的热功当量,为能量守恒原理提供了科学的实验证明。 1.2.2 能量守恒定律 到1850年,科学界公认能量守恒定律是自然界的普遍规律之一。能量守恒与转化定律可表述为:自然界的一切物质都具有能量,能量有各种不同形式,能够从一种形式转化为另一种形式,但在转化过程中,能量的总值不变。 1.2.3 热力学能 热力学能(thermodynamic energy)以前称为内能(internal energy),它是指体系内部能量的总和,包括分子运动的平动能、分子内的转动能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间的相互作用位能等。 热力学能是状态函数,用符号U表示,它的绝对值无法测定,只能求出它的变化值。 1.2.4 第一定律的文字表述 热力学第一定律

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