热力学第一定律

这是一篇关于热力学第一定律的思维导图，主要内容有热力学过程、功、几种过程、内能与热量、热力学第─定律。

热力学第一定律

• 热力学过程
  • 当系统的状态随时间变化时，我们说系统在经历一个热力学过程
  • 非静态过程：在过程中的任意时刻，气体各部分的密度、压强、温度都不完全相同
  • 准静态过程：每一时刻都无限接近于平衡态的过程
    • 无限缓慢：微小变化时间>>弛豫时间
    • 弛豫时间：系统由非平衡态趋于平衡态所需时间
    • 是一种理想化的热力学过程，是实际过程的近似
    • 准静态过程可以用状态曲线表示，状态曲线上每一个点代表一个平衡态
  • 改变系统状态的方法
    • 做功
    • 传热
• 功
  • 功是力学相互作用下的能量转移
  • 功
    • 功是过程量
    • 只要是准静态过程中的体积变化都适用
  • 注
    • 只有在系统状态变化过程中才有能量转移
    • 只有在广义力作用下产生了广义位移后才做了功
    • 功有正负之分
    • 在非准静态过程中很难计算系统对外做的功
• 几种过程
  • 等温过程
    • pV为常量
      • • △U=0
  • 等压过程
    • p为常量
  • 等体过程
    • V为常量
      • A=0
        • • Q=△U
  • 绝热过程
    • • • △U=A
          • Q=0
            • γ比热比常数：
  • 多方过程
    • • n=1等温，n=γ绝热，n=0等压，n=∞等容
        • • 理想气体摩尔热容：
  • 理想气体的绝热线比等温线陡
• 内能与热量
  • 内能
    • 绝热功的基本特征：与所经历的过程无关，只与系统的始末状态有关
    • 以绝热方式做功，外界所做的“绝热功”等于系统内能的增量
    • 内能是状态函数，与系统的始末状态有关
  • 理想气体的内能
    • 理想气体的内能就是构成气体的所有分子无规则 运动能量（分子平动动能+分子转动动能+分子内 原子振动的动能和势能）之和。
    • 焦耳实验
      • 绝热自由膨胀是一个内能不变的过程
      • 焦耳定律：理想气体的内能只是温度的函数
    • 对任意过程，理想气体的内能为
      • 若Cv,m为常数：
  • 实际气体的内能
    • 分子及其组成分子的原子无规则运动能量总和
    • 分子间相互作用势能的总和U=U（V，T），实际气体的内能是气体温度和体积的函数
    • 1mol实际气体的内能：
    • 范德瓦尔斯气体的内能：
  • 焦耳-汤姆孙实验
    • 节流过程：在绝热条件下高压气体经过多孔塞或细孔流到低压一边的过程
    • 焦耳-汤姆孙效应
      • 气体在一定压强下经过绝热节流膨胀而发生温度变化的现象，称为焦耳-汤姆孙效应
      • 分类
        • △T>0
          • 焦耳-汤姆孙负效应
            • 致温效应
        • △T<0
          • 焦耳-汤姆孙正效应
            • 制冷效应
        • △T=0
          • 焦耳-汤姆孙零效应
            • 此时温度为转换温度
      • 初步解释：气体经过绝热节流过程后焓不变
    • 理想气体
      • 理想气体经过节流膨胀后温度不变
      • 理想气体的焦耳-汤姆孙效应恒为零效应
    • 范德瓦尔斯气体
      • 讨论
        • RbT1-2a>0，△T>0，气体节流膨胀后升温（负效应）；分子间斥力起主要作用
        • RbT1-2a<0，△T<0，气体节流膨胀后降温（正效应）；分子间引力起主要作用
        • 当RbT1-2a=0时，气体节流膨胀后零效应，分子间斥力引力相互抵消
          • 转换温度T=2a/bR
  • 热量
    • 系统吸热或放热会使系统的内能发生变化
    • 微观本质：分子无规则运动能量从高温物体向低温物体传递
    • 热量：在不对外做功的传热过程中，系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量
    • 热量是一个过程量
• 热力学第一定律
  • 当热力学系统从某一状态经过任意过程到达另一状态时，系统内能的增量等于这个过程中外界对系统做的功和系统所吸收的的热量的总和
  • • 外界对系统做功A>0,，系统对外界做功A<0
    • 系统从外界吸热Q>0，放热Q<0
    • 系统温度升高△U>0，温度降低△U<0
  • 能量守恒定律
    • 热一定律是涉及热现象的能量守恒定律的表述
    • 内容：自然界中各种不同形式的能量都能够从一种形式转化为另一种形式，由一个系统传递给另一个系统，在转化和传递过程中总能量守恒
    • 理想气体的内能与体积无关，只与温度有关
    • 第一类永动机（不需要任何动力或燃料却能不断对外做功）是不可能的
• 热容，焓
  • 热容
    • 系统的热容：
      • 摩尔热容：
        • 比热容：
    • 定体热容：
      • 定体摩尔热容：
        • 理想气体：
    • 定压热容：
      • 定压摩尔热容：
    • 迈耶公式：
      • 掌握推导
  • 焓
    • H=U+pV
    • 等压过程中吸收的热量：Q=H2-H1
      • 等压过程中，系统吸收的热量等于系统态函数焓的增量
• 循环过程
  • 循环过程
    • 一系统由某一平衡态出发，经过任意的一系列过程又回到原来的平衡态的整个变化过程
    • 特征：工质复原，内能不变
    • 准静态循环
      • 循环的各阶段均为准静态过程
      • 可用闭合曲线表示
      • 顺时针
        • 正（热）循环
          • 系统对外界做净功
      • 逆时针
        • 逆（制冷）循环
          • 外界对系统做净功
    • 效率
      • 正循环
        • 在一次循环中，工质对外做的净功占它吸收的热量的比率
        • 工质经历循环是任意的，包括非静态过程
      • 制冷循环
        • 制冷系数
          • 对工质做一份功可从低温热源提取多少份热
  • 卡诺循环
    • 工质只和两个恒温热库交换热量的准静态循环
    • 由两个等温过程和两个绝热过程组成的可逆循环
    • • 卡诺循环的效率只与两个热源的温度有关
      • 卡诺循环的效率总是小于1的
      • 两热源温差越大，从高温热源吸收热量利用率越高
    • 逆向卡诺循环
      • 卡诺制冷机制冷系数：
• 难点与疑点
  • 难点
    • 根据不同图像判断过程类型
    • 区别不同过程做功、热量和内能的变化以及计算
    • 判断过程的吸放热情况
      • 用绝热过程的曲线判断
    • 理想气体与实际气体的差别
      • 内能的差别
      • 焦耳-汤姆孙效应的差别
  • 注意
    • 并不是物体温度越高内能越大
      • 对于定量的理想气体成立
      • 不是理想气体则考虑分子间相互作用势能，T↑，热运动动能↑，但体积变化可使分子间势能降低，内能可能减少
    • 对应某一状态的内能不可以直接测定
      • 只能测定两个状态的能量差
      • 绝对零度时系统的零点能无法直接测定
    • 理想气体状态改变时，内能不一定跟着改变
      • e.g.等温过程
  • 疑点
    • 为什么焦耳-汤姆孙负效应是△T>0，而正效应是△T<0？正负效应的物理意义是什么？
    • 正循环工质经历过程如果包括非静态循环的话，怎么计算效率呢？