物理化学知识点总结(热力学第一定律)

热力学第一定律一、基本概念1.系统与环境敞开系统：与环境既有能量交换又有物质交换的系统。封闭系统：与环境只有能量交换而无物质交换的系统。（经典热力学主要研究的系统）孤立系统：不能以任何方式与环境发生相互作用的系统。2.状态函数：用于宏观描述热力学系统的宏观参量，例如物质的量n、温度T、压强p、体积V等。根据状态函数的特点，我们把状态函数分成：广度性质和强度性质两大类。广度性质：广度性质的值与系统中所含物质的量成正比，如体积、质量、熵、热容等，这种性质的函数具有加和性，是数学函数中的一次函数，即物质的量扩大a倍，则相应的广度函数便扩大a倍。强度性质：强度性质的值只与系统自身的特点有关，与物质的量无关，如温度，压力，密度，摩尔体积等。注：状态函数仅取决于系统所处的平衡状态，而与此状态的历史过程无关，一旦系统的状态确定，其所有的状态函数便都有唯一确定的值。二、热力学第一定律热力学第一定律的数学表达式：∆U=Q+W对于一个微小的变化状态为：dU=𝛿𝑄+𝛿𝑊公式说明：dU表示微小过程的内能变化，而δQ和δW则分别为微小过程的热和功。它们之所以采用不同的符号，是为了区别dU是全微分，而δQ和δW不是微分。或者说dU与过程无关而δQ和δW却与过程有关。这里的W既包括体积功也包括非体积功。以上两个式子便是热力学第一定律的数学表达式。它们只能适用在非敞开系统，因为敞开系统与环境可以交换物质，物质的进出和外出必然会伴随着能量的增减，我们说热和功是能量的两种传递形式，显然这种说法对于敞开系统没有意义。三、体积功的计算1.如果系统与环境之间有界面，系统的体积变化时，便克服外力做功。将一定量的气体装入一个带有理想活塞的容器中，活塞上部施加外压𝑝外。当气体膨胀微小体积为dV时，活塞便向上移动微小距离dl，此微小过程中气体克服外力所做的功等于作用在活塞上推力F与活塞上移距离dl的乘积δW=−Fdl因为我们假设活塞没有质量和摩擦，所以此活塞实际上只代表系统与环境之间可以自由移动的界面。因此推力F实际上是作用于环境，而由𝑝外产生的外力则作用于系统，两者属于作用力与反作用力，若A代表活塞的体积，则δW=−𝑝外Adl=−𝑝外dV，积分得到21外dVVWpV2.如果系统体积膨胀对环境做功，则W0。环境对系统做功体积压缩,则W0。3.若膨胀过程分为无穷多步完成，其中每一步都可以看成是一个平衡态，则可逆膨胀做功计算公式为：W=−∫𝑝𝑑𝑉=𝑉2𝑉1−∫𝑛𝑅𝑇𝑉𝑑𝑉=−𝑛𝑅𝑇ln𝑉2𝑉1𝑉2𝑉1由上可知，功与变化的途径有关。可逆膨胀，系统对环境做功最多；可逆压缩，环境对系统做的功最小。热力学的一个过程，其中每一个步骤都可以在相反方向进行而不在环境中引起其他变化，我们称这样的过程叫可逆过程。思考：有人说可逆过程可以理解成可以逆向进行的过程？为什么热力学中计算体积功时不用内压用外压?四、热的计算1.等容热效应，由热力学第一定律∆U=Q+W可知，若系统不做非体积功，且等容条件下（体积功为0），则：∆U=𝑄𝑉，此结果表明，等容且不做非体积功过程的内能变化热效应等于系统等压热效应。2.等压热效应，由热力学第一定律∆U=Q+W可知，系统在等压条件下，则：δQ=dU+pdV=d(U+pV)由于等压过程中p是常数，即dp=0我们定义H=U+pV，即δ𝑄𝑝=𝑑𝐻。对整个过程积分则得到:∆𝐻=𝑄𝑝此结果表明，等压且不做非体积功过程的热效应等于系统焓值的变化。3.热容及简单的变温过程热的计算在物理学中，热容的定义是C=𝛿𝑄𝑑𝑇其意义是在没有非体积功的情况下，将系统的温度升高1K时所吸收的热量，由于热量δQ与过程有关，所以在不同的过程中有不同的热容，我们需要掌握的是等容热容和等压热容。等容热容代表在等容条件下，系统升高1K时所吸收的热量，记作𝐶𝑉=𝛿𝑄𝑉𝑑𝑇在没有非体积功的条件下δQ=dU,于是𝐶𝑉=(𝜕𝑈𝜕𝑇)𝑉由此可知，对于微小的等容简单变温过程有dU=𝐶𝑉𝑑𝑇若系统的温度由T1变成T2，则此式两端积分，得到∆U=∫𝐶𝑉𝑑𝑇𝑇1𝑇2类似地，等压热容，在没有非体积功的条件下δQ=dH,于是𝐶𝑝=(𝜕𝐻𝜕𝑇)𝑝由此可知，对于微小的等压简单变温过程有dH=𝐶𝑝𝑑𝑇若系统的温度由T1变成T2，则此式两端积分，得到∆H=∫𝐶𝑝𝑑𝑇𝑇1𝑇2我们知道热容是具有广度性质的函数，除以物质的量n之后，相应的热容就成为了摩尔等容热容𝐶𝑉,𝑚和摩尔等压热容𝐶𝑝,𝑚,这两个物理量则具有强度性质。5.等容热容与等压热容的关系6.理想气体的热容由于理想气体的U和H只与温度有关，故(𝜕𝑈𝜕𝑉)𝑇=0，(𝜕𝐻𝜕𝑝)𝑇=0故对于理想气体，有7.理想气体的绝热过程，我们需要掌握理想气体的绝热、可逆、且不做非体积功的三个过程方程，这部分大家去翻一翻教材吧。五、实际气体的内能和焓对于一定量的任意气体𝐻=𝑓(𝑇,𝑝)所以𝑑𝐻=𝐶𝑝𝑑𝑇+(𝜕𝐻𝜕𝑝)𝑇𝑑𝑝则实际气体任意过程的焓变要通过下式计算𝑑𝐻=∫𝐶𝑝𝑑𝑇𝑇2𝑇1+∫(𝜕𝐻𝜕𝑝)𝑇𝑑𝑝𝑝2𝑝1Similarly,对于一定量的任意气体𝑈=𝑓(𝑇,𝑉)所以𝑑𝑈=𝐶𝑉𝑑𝑇+(𝜕𝑈𝜕𝑉)𝑇𝑑𝑉则实际气体任意过程的内能变化要通过下式计算𝑑𝑈=∫𝐶𝑉𝑑𝑇𝑇2𝑇1+∫(𝜕𝑈𝜕𝑉)𝑇𝑑𝑉𝑉2𝑉1以上内容就是热力学第一定律的主要部分剌，希望能给大家一些帮助。