第4章 热力学第一定律及其应用

热力学第一定律及其应用------对理想气体的应用摘要：热力学第一定律是人们生产的理论基础，在此简要叙述热力学第一定律的相关概念及等温，等容，等压，绝热四个过程中功与能量的转化。

关键词：定义等温等容等压绝热热力学第一定律就是能量转化和守恒定律。

十九世纪中期，在长期生产实践和大量科学实验的基础上，它才以科学定律的形式被确立起来。

直到今天，不但没有发现违反这一定律的事实，相反的，大量新的实践不断地证明这一定律的正确性，扩充着它的实践基础，丰富着它所概括的内容。

从1840—1879年,焦耳用大量的、精确的科学实验结果论证了机械能和电能与热能之间的转化关系，他在各种实验中测定的热功当量数值的一致性，给能量转化和守恒定律奠定了不可动摇的基础。

然而，应该指出的是，在十八世纪末和十九世纪，许多国家的科学家都对这一定律的建立作出了一定的贡献。

这是由于当时的历史条件所决定的。

十八世纪初，纽可门制作的大规模把热变为机械能的蒸汽机已在英国煤矿和金属矿使用。

十八世纪后半叶，由瓦特作了重大改进的蒸汽机在英国炼铁业、纺织业广泛采用。

对热机效率以及机器中的摩擦生热问题的研究，大大促进了人们对于能量转化规律的认识。

与此同时，在其他领域内，也分别地发现了各种运动形式之间的相互联系和转化。

如1800年伏打化学电池的发明；1834年法拉第点解定律的发现；1820年奥斯特发现电流的磁效应；1831年法拉第发现电磁感应现象1822年塞贝克发现热电动势并制作出热电源；1840年焦耳发现电流热效应方面的焦耳定律；1840年法拉第还发现了光的偏振面磁致旋转现象。

所有这些，都使各种运动形式间相互联系和相互转化的辩证关系被充分地揭示出来。

正是在这种历史条件下，医生迈尔于1842年曾列举了25种相互转化的形式，并从空气的定压比热与定容比热之差算出了热功当量。

最后，由于焦耳的长期工作，建立了大量可靠的实验资料，能量转化和守恒定律才最终巩固地建立起来。

物理化学热力学第一定律总结热力学第一定律是热力学中最基本的定律之一，并且与能量守恒原理密切相关。

它陈述了一个闭合系统内部的能量转换过程。

根据热力学第一定律，能量是不能从真空中产生的，也不能消失，它只能在系统内部进行转化。

该定律可以用以下公式表达：ΔU=Q-W其中，ΔU表示系统内部能量的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外界做的功。

这个公式说明了能量的守恒，即系统吸收的热量和对外界做的功之和等于系统内部能量的变化。

当系统从外界吸收热量时，其内部能量会增加，而当系统对外界做功时，其内部能量会减少。

这种能量的转化是一个相互依存的过程，可以通过热力学第一定律进行描述。

热力学第一定律的应用十分广泛，并且在实际问题中具有重要的意义。

以下是热力学第一定律在不同领域的应用：1.在化学反应中，热力学第一定律可以用来计算反应的焓变。

通过测量反应前后系统吸收或释放的热量，可以计算出反应的焓变，从而了解反应的能量转化和方向。

2.在工程领域，热力学第一定律常用于能量转换设备的设计和优化中。

例如，蒸汽轮机、内燃机和制冷机等能量转换系统的效率可以通过热力学第一定律进行评估和计算。

3.在生物学领域，热力学第一定律可以用于研究生物体内的能量转化过程。

例如，通过测量生物体吸收的热量和对外界做的功，可以计算出生物代谢的能量转换效率。

热力学第一定律的重要性在于揭示了能量守恒的基本原理，为能量转化和能量利用提供了基础理论支持。

它对于研究和解决实际问题具有重要指导意义。

热力学第一定律的应用可以帮助我们评估能量转换过程的效率，优化能量利用方式，并促进可持续发展。

总之，物理化学热力学第一定律表述了能量守恒的原则，描述了能量转化和能量守恒的过程。

它在化学、工程、生物等领域具有广泛的应用，并对能量转换和利用提供了理论支持。

热力学第一定律的理解和应用可以帮助我们更好地理解能量转换过程，优化能量利用方式，并实现可持续发展的目标。

华北科技学院化工热力学Chemical Engineering Thermodynamics第四章 热力学第一定律4.1 闭系非流动过程的能量平衡能量平衡式 体系能量的变化=体系与环境交换的净能量。

即：(能量)入 − (能量)出 = (能量)存封闭体系非流动过程的热力学第一定律：ΔU = Q + W4.2 开系通用的能量平衡方程4.3 稳流过程的能量平衡1. 开系稳流过程的能量平衡状态是稳定的 稳流过程 流动是稳定的 1)外部环境对流体提供的能量(对于1kg流体): ①外功(ws)—净功或有效功，J/kg； 规定：外界提供给流体功， ws为正； 流体传递给外界功，ws为负。

②热量(q)—获得的热量，J/kg；4.3 稳流过程的能量平衡2) 流体在流动过程中本身所具有的能量(对于1kg流体): ① 内能 U: J/kg； ② 位能: ③ 动能: ④ 静压能(压强能) m kg： 动能 = mu2/2， J 1 kg： 动能 = u2/2 ， J/kg m kg： 位能 = mgZ， J 1 kg： 位能 = gZ， J/kgm kg-V m3 ： 静压能 = pV , J 1V kg- m3 m：静压能=pV p = m ρ, J/kg4.3 稳流过程的能量平衡衡算范围：1-1′至2-2′截面 衡算基准：1kg不可压缩流体 基准水平面：0-0′平面流动系统依据: 输入总能量=输出总能量1 2 p1 1 2 p2 U 1 + gz1 + u1 + + we + q = U 2 + gz2 + u2 + 2 ρ 2 ρ总能量衡算式4.3 稳流过程的能量平衡1 ρ= v1 2 p1 1 2 p2 U 1 + gz1 + u1 + + ws + q = U 2 + gz2 + u2 + 2 ρ 2 ρ 1 2 1 2 U 1 + gz1 + u1 + p1v + ws + q = U 2 + gz2 + u 2 + p2 v 2 2h = U + Pv2 u12 u2 h1 + gZ1 + + ws + q = h2 + gZ 2 + 2 2P97，例4-11 2 Δh + gΔZ + Δu = ws + q 2mkg1 ΔH + mgΔZ + mΔu 2 = Ws + Q 21kg流体稳流能量衡算式mkg流体稳流能量衡算式4.3 稳流过程的能量平衡2. 稳流过程能量平衡的简化形式(1)机械能平衡方程式（柏努利方程）： 流体不可压缩→ρ=常数=1/v，v△p=△p/ρ 无热、无轴功交换→q=0，ws=0 理想流体，无粘性→摩擦损耗hf=0，△U=0Δh + gΔZ + 1 2 Δu = ws + q 2条件△h=△U+v△pΔpρ+ gΔZ +1 Δu 2 = 0 24.3 稳流过程的能量平衡(2)绝热稳定流动方程式 条件：可压缩，与外界无热、无轴功交换。

热力学第一定律，又称热力学第一定律原理或热力学第一定律定理，是热力学的基本定理之一。

它指出：在任意一个过程中，物质的总热力量Q和总功率W之和是定值，即Q+W=定值。

热力学第一定律的实际运用广泛，可以用来解决各种热力学问题。

下面给出几个具体的例子。

制冷机的工作原理：制冷机是利用制冷剂的汽化-冷凝-膨胀过程来进行冷却的。

制冷剂从低压汽化到高压气体的过程中，汽化所吸收的热量就是制冷机所发出的冷量。

这个过程可以看作是制冷机消耗的功率W，对应的热力学第一定律式为Q+W=定值。

热水器的工作原理：热水器是利用电能将水加热的。

电能转化成热能的过程可以看作是热水器消耗的功率W，加热水所吸收的热量就是热水器发出的热量Q。

这个过程可以用热力学第一定律来表示，即Q+W=定值。

汽车发动机的工作原理：汽车发动机是利用燃料的燃烧来产生动力的。

燃料的燃烧过程中，消耗的燃料质量就是汽车发动机的功率W，燃烧所释放的热量就是汽车发动机发出的热量Q。

这个过程可以用热力学第一定律来表示，即Q+W=定值。

光伏发电的工作原理：光伏发电是利用光能转化成电能的过程。

光能转化成电能的过程可以看作是光伏发电的功率W，光伏发电所产生的电能就是光伏发电发出的热量Q。

这个过程可以用热力学第一定律来表示，即Q+W=定值。

以上就是热力学第一定律的几个具体运用例子。

可以看出，热力学第一定律是一个非常重要的定理，在各种热力学过程中都有着广泛的应用。

热力学第一定律的实际应用热力学是物理学中研究热现象的分支学科，而热力学第一定律是各分支学科中最基本的一条定律，被称为能量守恒定律。

它的表述是：“能量不能创造和消灭，只能转化或从一个物体转移至另一个物体。

”热力学第一定律在实际应用中有着广泛的应用，下面将从能源转化、工业生产和环保领域等方面展开阐述。

一、能源转化能源转化是指将一种形式的能源转化为另一种形式的过程。

这是一个非常广泛的问题，涉及许多领域的产业，如石油、天然气、水电、核电等等。

通过热力学第一定律，我们可以控制转化的效率，避免能源的浪费。

以汽车为例，我们可以将汽油燃烧转化为动能，但是在转化的过程中会产生大量的热能，如果能够利用这部分热能，并将其转化为动能，那么汽车的效率将会更高，同时也会减少能源的浪费与环境的污染。

二、工业生产工业生产是热力学第一定律的另一个实际应用领域。

在生产过程中，需要消耗大量的能源并产生大量的热能，如果没有对热能进行回收利用，将导致能源的浪费和环境的污染。

因此，在工业生产中，热力学第一定律有着非常重要的作用。

例如，许多化工厂需要通过化学反应来制造化学品，化学反应的过程会产生大量的热能，而其中一部分热能可以被回收利用，以供给其他生产过程所需的热能。

这样不仅可以提高生产效率，还可以减少能源的浪费和环境的污染。

三、环保领域环保领域是热力学第一定律的另一个重要应用领域。

科学家们已经发现，热能的利用和回收可以帮助缓解一些环境问题，比如温室效应和大气污染。

这是因为将废气中的热能回收利用，减少烟气的排放，从而减少了环境中的污染和排放。

同时，废热的回收也可以减少对环境的负担，并为其他需要热能的生产过程提供热能。

因此，在环保领域，热力学第一定律也有着非常广泛的应用。

总之，热力学第一定律作为能量守恒定律，在现实生活中有着非常广泛的应用。

它的应用涉及到了能源转化、工业生产和环保领域等多个方面，在实际生产和科研中具有重要意义。

因此，我们在进行科学研究和创新发展的过程中，也需要积极应用和发扬热力学第一定律的精神，以实现可持续发展和生态环保的目标。

热力学第一定律及其应用§ 2. 1 热力学概论热力学的基本内容热力学是研究热功转换过程所遵循的规律的科学。

它包含系统变化所引起的物理量的变化或当物理量变化时系统的变化。

热力学研究问题的基础是四个经验定律（热力学第一定律，第二定律和第三定律，还有热力学第零定律），其中热力学第三定律是实验事实的推论。

这些定律是人们经过大量的实验归纳和总结出来的，具有不可争辩的事实根据，在一定程度上是绝对可靠的。

热力学的研究在解决化学研究中所遇到的实际问题时是非常重要的，在生产和科研中发挥着重要的作用。

如一个系统的变化的方向和变化所能达的限度等。

热力学研究方法和局限性研究方法：热力学的研究方法是一种演绎推理的方法，它通过对研究的系统（所研究的对象）在转化过程中热和功的关系的分析，用热力学定律来判断该转变是否进行以及进行的程度。

特点：首先，热力学研究的结论是绝对可靠的，它所进行推理的依据是实验总结的热力学定律，没有任何假想的成分。

另外，热力学在研究问题的时，只是从系统变化过程的热功关系入手，以热力学定律作为标准，从而对系统变化过程的方向和限度做出判断。

不考虑系统在转化过程中，物质微粒是什么和到底发生了什么变化。

局限性：不能回答系统的转化和物质微粒的特性之间的关系，即不能对系统变化的具体过程和细节做出判断。

只能预示过程进行的可能性，但不能解决过程的现实性，即不能预言过程的时间性问题。

§2. 2 热平衡和热力学第零定律－温度的概念为了给热力学所研究的对象－系统的热冷程度确定一个严格概念，需要定义温度。

温度概念的建立以及温度的测定都是以热平衡现象为基础。

一个不受外界影响的系统，最终会达到热平衡，宏观上不再变化，可以用一个状态参量来描述它。

当把两个系统已达平衡的系统接触，并使它们用可以导热的壁接触，则这两个系统之间在达到热平衡时，两个系统的这一状态参量也应该相等。

这个状态参量就称为温度。

那么如何确定一个系统的温度呢？热力学第零定律指出：如果两个系统分别和处于平衡的第三个系统达成热平衡，则这两个系统也彼此也处于热平衡。

热力学第一定律及其应用
热力学第一定律是物理学中最基本的定律之一，它指出“热力学系统在任何过程中，总能量保持不变”。

它的定义是：“热力学系统在任何物理或化学过程中，总能量保持不变”。

热力学第一定律的应用：
1、热力学第一定律可以用来解释热力学过程中物质的能量变化。

比如，热力学第一定律可以用来解释热力学过程中物质的温度、压强、容量等变化，以及物质的状态变化，比如固态、液态和气态。

2、热力学第一定律可以用来计算热力学过程中物质的能量变化，从而计算物质的热力学性质，比如热容量、熵和比热等。

3、热力学第一定律可以用来计算物质的热力学变化，比如汽液平衡、相变等。

4、热力学第一定律可以用来计算物质的反应化学能，从而可以计算反应的活化能、反应速率等。

§10.4热力学第一定律一、功 热量 内能 1、系统的内能热力学系统：热力学的研究对象；外界：与系统发生作用的环境。

1）系统的内能：指与热运动有关的能量，包括所有分子无规则运动动能与相互作用势能。

一般气体(,)E E T V = ；对理想气体()E E T =2i vR T =注意：内能无论是T 、V 的函数还是T 的单值函数，都只与状态有关，是状态量。

2）改变内能的方式：做功和热传递做功和热传递在改变系统状态方面具有等效性，但两者有本质的区别：做功：通过物体发生宏观位移完成，实现的是分子的有规则运动能量和分子的无规则运动能量的转化物，从而改变内能。

如活塞压缩汽缸内的气体使其温度升高。

传热：通过分子间相互作用完成，实现的是外界分子无规则热运动与系统内分子无规则热运动之间的转换，从而改变了内能。

⇔无规则运动无规则运动2、功A在热学中，常见的是准静态过程中与系统体积变化相关的功： 微元功：dA F dl P Sdl P dV === 某个过程中,则系统对外做功：21V V A dA PdV==⎰⎰理解：⑴几何意义：功在数值上等于p~V 图上过程曲线下的面积⑵不仅与始末二状态有关，且还与过程有关→功为过程量。

⑶规定：0A >——系统对外界作正功；0A <——系统对外界作负功（外界对系统作功）。

3、热量Q ：热传递过程中所传递的热运动能量的多少。

规定：Q ＞0表示系统从外界吸热（外界向系统传热）， Q ＜0表示系统向外界放热（外界从系统吸热）。

注意：过程不同，系统吸收或放出的热量也不同，因此热量也是过程量。

二、热力学第一定律1、内容：系统从外界吸收的热量，部分用于增加系统的内能，部分用于系统对外作功。

数学表达式为21()Q E A E E A =∆+=-+ 微元过程 dQ dE dA =+. 说明：1）本质：是包括热现象在内的能量守恒定律。

也可表述为：第一类永动机是不可能造成的。