热力学第一定律

热力学第一定律知识思维导图，包括：热力学概论、准静态与可逆过程、热容、第一定律对理想气体的应用、热化学。

热力学第一定律

• 热力学概论
  • 基本内容
    • 第零定律:建立了温度的定义
    • 第一定律：计算过程中的能量效应
    • 第二定律：判断变化的方向与进度
    • 第三定律：阐明熵的数值
    • 热力学能是一个状态函数
  • 方法与局限性
    • 研究对象是大量分子的集合体，研究宏观性质
    • 只考虑平衡问题，考虑变化前后的净结果，不考虑物质的微观结构与反应机理
    • 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
    • 不研究系统的宏观性质与微观结构之间的关系
    • 只讲可能性，不讲现实性
  • 组成部分
    • 系统整体运动的动能（T）
    • 系统在外力场中的位能（V）=势能
    • 热力学能或者内能（U）
  • 表达方式
    • 能量表述：自然界一切物体都具有能量，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量总和不变。即能量守很恒定律
    • 数学表达：∆U=U2-U1,
  • 特点
    • 热力学能是系统的宏观性质，个别粒子没有内能这个概念
    • 热力学能不是 守恒量，可以与其他形式的能量相互转化，如做功和热传递
    • 热力学能是容量性质，有加和性
    • 热力学能的绝对值无法测定，只能求出变化值∆U
    • 具有全微分性质
• 准静态与可逆过程
  • 功的计算方法
    • 自由膨胀：外压为0，所以不做功W=0
    • 一次恒外压膨胀：
    • 多次恒外压膨胀：
    • 膨胀次数越多做功越大
    • 理想气体等温可逆做功：
      • 做功最大
  • 可逆过程：能使系统和环境都恢复到原来的状态而未留下任何永久性的变化的过程
    • 过程中每一步接近平衡，一个循环后系统和环境都恢复原状
    • 状态变化时推动力与阻力相差无限小
    • 一个循环后系统环境复原，无任何消散效应
    • 等温可逆过程中，系统对环境做功最大，环境对系统做功最小
• 焓
  • 等容热效应
    • 等容且不做非体积功，系统热力学能变化等于等容热效应
  • 等压热效应
    • 等压且不做非体积功，系统的焓变等于等压热效应
  • 定义
  • 性质
    • 焓是系统的状态函数，其绝对值无法确定
    • 焓变取决于系统的始、终态，与途径无关
    • 焓具有广度性质，具有加和性
    • 焓不是能量，单位为J，不遵循能量守恒
• 热容
  • 热容：系统升高单位热力学温度时所吸收的热
  • 摩尔热容：1mol物质温度升高1K所需要的热量
  • 表达式
    • 等容热容：
    • 等压热容：
  • 应用
  • 热容与温度的关系
    • 理想气体的热容：与温度无关
    • 实际气体、液体、固体的热容
• 第一定律对理想气体的应用
  • 数学推导
    • 理想气体的热力学能
    • 理想气体的焓
    • 理想气体的热容
  • 理想气体的Cp与Cv只差
    • 气体的Cp恒大于Cv：因为等容过程中， 升高温度， 所吸的热全部用来增加热力学能， 等压过程中， 所吸的热除加热力学能外， 还要多吸一点热量用来对外做膨胀功
  • 绝热过程做功
  • 绝热可逆过程的功和方程式
    • 方程式
    • 功
  • 注意
    • 理想气体绝热可逆过程的末态的温度只能用过程方程式，不能用理想气体状态方程
    • 绝热不可逆的末态温度不能用绝热可逆过程的过程方程式求
    • 理想气体绝热可逆过程末态的温度不能用理想气体状态方程求，而末态的体积可用理想气体状态方程求
  • 绝热不可逆
    • 定义：气体在等外压条件下的快速绝热膨胀可以看做绝热不可逆过程
    • 特征：气体从相同的始态，经历绝热可逆膨胀和不可逆膨胀，不可能到达相同的终态，即终态温度不同。
    • 绝热不可逆过程：Q=0，
  • Carnot循环
    • 等温可逆膨胀
    • 绝热可逆膨胀
    • 等温可逆压缩
    • 绝热可逆压缩
• 热化学
  • 热效应
    • • ∆n为反应前后气体的物质的量只差
    • 反应进度
      • 摩尔焓变：一个反应的焓变必然取决于反应进度，有不同的∆H值将∆H/∆ξ称为摩尔焓变
  • Hess定律
    • 不管反应是一步还是几步，其热效应都相同。依据：热效应只与初末状态有关，与途径无关。
    • 应用：求一些不易测定的反应热
  • 几种热效应
    • 标准摩尔生成焓
      • 没有规定温度，一般在298.15K时的数据可以查表
      • 生成焓是一个相对值，各种稳定的生成焓为零
      • 利用生成焓求反应的焓变，生成物生成焓减反应物生成焓
    • 自键焓估计反应焓变
      • 反应物键能减生成物键能
    • 标准摩尔燃烧焓
      • 1mol物质完全燃烧生成稳定的化合物的标准焓变
      • 反应物燃烧焓减生成物的燃烧