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13-1 准静态过程 功 热量 第十三章 热力学基础 第一节 13-1 准静态过程 功 热量 第十三章 热力学基础 热力学是研究物质世界中有关热现象的宏观 理论，它不涉及物质的微观结构，而是将一物质 系统中大量粒子看作一个整体，研究系统所表现 的各种宏观性质和规律。 热力学第一定律是热力学的基本定律，是一个 包括热现象在内的能量守恒与转化的定律。 热力学第一定律首先涉及到 热量功内能 的基本概念 13-1 准静态过程 功 热量 第十三章 热力学基础 1. 几个热力学概念 (i) 热力学系统 热力学中的研究对象(如气体, 液体, 固体, 电介质和 磁介质等)叫做热力学系统. 热力学系统简称为系统. 也称为工作物质. (ii) 外界 : 系统之外并与系统相互作用的物体称 为外界. (iii)热力学过程: 热力学系统从一个平衡态变化到另 一个平衡态的过程. /17 一 准静态过程（理想化的过程） 13-1 准静态过程 功 热量 第十三章 热力学基础 2. 非静态过程和准静态过程 热力学系统经历一个热力学过程(一系列的中间状态 )到达另一个平衡态.根据中间状态的特点可以将热力 学过程可分为非静态过程和准静态过程. 非静态过程 : 中间状态为非平衡态的热力学过 程称为非静态过程. 准静态过程 : 在始末两个平衡态之间的每一个中间状 态都可近似地看成平衡态的热力学过程称为准静 态过程. 准静态过程是一个理想化的过程. 从下面的例子, 大家可以理解准静态过程的含义. /17 13-1 准静态过程 功 热量 第十三章 热力学基础 气体 活塞 砂子 如图是一个带有活塞的容器.活 塞的下面有一定质量的气体.活 塞上放有一些砂粒. 开始时气体的状态为(V1,T1, p1) 将活塞上的砂粒一颗一颗地缓慢 取走. 气体的状态将非常缓慢地变为 末状态(V2,T2, p2). 这个过程可近似地作为准静态过程. 1 2 3. 过程曲线 系统从初始状态经准静态过程到达末态 用p-V图的一条曲线表示.此曲线称为准 静态过程曲线, 简称为过程曲线 . 13-1 准静态过程 功 热量 第十三章 热力学基础 二 功（过程量） 1 功是能量传递和转换的量度，它引起系统热 运动状态的变化. 宏观运动能量热运动能量 气体压强 活塞面积 气体系统体积变化过程 所做的功（体积功） 元功 气体膨胀 系统对外做正功 气体被压缩 系统对外做负功 13-1 准静态过程 功 热量 第十三章 热力学基础 气体压强 活塞面积 与过程有关 体积从 变到 系统所做的功 沿 a c b 过程的功沿 a d b 过程的功 系统通过体积变化实现作功。 热力学中的功是与系统始末状态和过程都有关的一种过程量。 二 功（过程量） 13-1 准静态过程 功 热量 第十三章 热力学基础 三 热 量（过程量） 通过传热方式传递能量的量度，系统 和外界之间存在温差而发生的能量传递 . 13-1 准静态过程 功 热量 第十三章 热力学基础 （1）都是过程量：与过程有关； （2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；即可以 通过做功, 或传递热量改变系统的状态. 宏观运动分子热运动 功 分子热运动分子热运动 热量 （3）功与热量的物理本质不同 . 1 cal = 4.18 J ， 1 J = 0.24 cal 功与热量的异同 13-1 准静态过程 功 热量 第十三章 热力学基础 第一节 13-2 内能 热力学第一定律 第十三章 热力学基础 理想气体的内能是气体内所有分子的动能和分子内原子间 的势能之和. 但热力学系统不仅可以是气体, 还可以是液体, 固体等. 热力学系统处于某一状态时所具有的能量称为系统的内能 . 理想气体的内能仅是温度的函数,即 内能是表征系统状态的单值函数. 一般气体的内能是温度和体积的函数, 即 一 内能 （状态量） 总之，某给定气体系统的内能。只由该系统的状态所决定， 在热力学中内能是一个重要的状态量。 13-2 内能 热力学第一定律 第十三章 热力学基础 内能 热量 功 状态量 过程量 过程量 是构成系统的全部分子 的平均能量之和。 是系统的宏观有序机械 运动与系统内大量分子无 规热运动的相互转化过程。 是外界物质分子无规热 运动与系统内物质分子无 规热运动的相互转化过程。 内能 功 热量 的国际标准单位都是 焦耳 （ J ） 系统内能的改变可以由外界向系统传递热量来实现, 也可以 由外界对系统做功来实现. 13-2 内能 热力学第一定律 第十三章 热力学基础 外界对系统做功使系统 内能增加; 系统对外界做功使系统 内能减少; 外界对系统传热使系统 内能增加; 系统对外界传热使系统 内能减少; 但不管是通过做功还是热传递使系统的内能发生改 变, 内能的变化只与系统起始和终了状态有关, 与 系统所经历的过程无关. 做功, 传热和内能的变化之间的定 律关系如何 ? 2 A B 1* * /17 13-2 内能 热力学第一定律 第十三章 热力学基础 设系统初始状态的内能为E1; (i) 若外界向系统传递热量为Q; 外界对 系统做功为Wex; 系统达到末态时的内能为 E2; 1 2 * * E1 E2 根据能量守恒定律, 有 即系统内能的增量等于外界向系统传递的热量Q与外界对 系统做功Wex之和. (ii) 若外界向系统传递热量Q, 系统对外界做功W, 根据能量守恒定律, 有 13-2 内能 热力学第一定律 第十三章 热力学基础 热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与 转化定律的一种表达形式。 该定律的另一种通俗表述是：第一类永动机是不 可能造成的。 第一类永动机是指能不断对外作功而又不需消耗任何形式的能 量、或消耗较少的能量却能得到更多的机械功的机器。 13-2 内能 热力学第一定律 第十三章 热力学基础 热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与 转化定律的一种表达形式。 该定律的另一种通俗表述是：第一类永动机是不 可能造成的。 第一类永动机是指能不断对外作功而又不需消耗任何形式的能 量、或消耗较少的能量却能得到更多的机械功的机器。 对于一个无限小的过程，热力学第一定律可写成 式中各量均为代数量，有正有负 系统吸收热量， 或为正，放出热量则为负 系统内能增加， 或为正，内能减少则为负 系统对外作功， 或为正，外界对系统作功则为负 式中各量的单位制必须统一。 13-2 内能 热力学第一定律 第十三章 热力学基础 + 系统吸热 系统放热 内能增加 内能减少 系统对外界做功 外界对系统做功 第一定律的符号规定 13-2 内能 热力学第一定律 第十三章 热力学基础 例 习题13-10 一定量的空气, 吸收了1.71×103J的热量, 并保持在 1.0 ×105Pa下膨胀, 体积从1.0×10-2m3增加到1.5×10-2m3, 问空气对 外作了多少功 ? 它的内能改变了多少? 解 (i) 由于气体在膨胀过程中压强保持不变, 因此气体对 外做功为 (ii) 由热力学第一定律, 得, 气体的内能改变为 /17 13-2 内能 热力学第一定律 第十三章 热力学基础 作 业 13 - 1013 - 813 - 7
