心智圖資源庫 熱力學第一定律
物理化學第六版熱力學第一定律,熱力學第一定律,也被稱為能量守恆定律在熱力學中的表現,它指出:一個熱力學系統的內能變化等於外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。
編輯於2024-11-16 20:58:20熱力學第一定律
基本概念及術語
系統與環境
·隔離系統:系統與環境無物質與能量的交換
·封閉系統:系統與環境有能量交換,無物質交換
·敞開系統:系統與環境間有物質與能量交換
狀態與狀態函數
狀態函數特徵
·①系統狀態的微小變化所引起的狀態函數X的變化可用全微分dX表示
·②系統由狀態a到狀態b的變化△X=Xb-Xa只與始末狀態有關,與變化途徑或經驗無關
狀態函數分類
·廣度量:與物質的數量成正比的性質(n、V、U、S等)
·強度量:與物質的數量無關的性質(T、p、ρ等)
平衡態
·熱平衡,系統有單一溫度
·力平衡,系統有單一壓力
·相平衡,系統內無任何物質從一相遷移到另一相
·化學平衡,系統內化學平衡都已停止
·過程與途徑
功和熱
功(W)
·環境對系統做功時,W>0
·系統對環境做功時,W
·功的定義式δW=-Fdl=-pamb-dV
·恆外壓過程W=-pamb·△V
熱(Q)
·系統從環境吸熱,Q>0
·系統向環境放熱,Q
·熱力學能
熱力學第一定律
熱力學第一定律
·能量不能憑空產生或消失,只能從一種形式轉變為另一種形式
封閉系統熱力學與第一定律的數學形式
·△U=Q W
·對無限小的過程,dU=δQ δW
焦耳實驗
·對理想氣體來說,熱力學能U只是溫度T的函數,(aU/aV)F=0
恆容熱、恆壓熱及焓
恆容熱(Qv)
·恆容狀態下,Qv=△U,δQ=dU
恆壓熱及焓
·恆壓狀態下,W體積=-pamb-(V2-V1)=p1V1-p2V2
·非體積功為0的情況下,Qp=(U2 p2V2)-(U1 p1V1)
·令H=U pV·Qp=△H,δQp=dH(適用於恆壓或等壓且非體積功為0的過程)
摩爾熱容
摩爾定容熱容(Cv,m)
·Cv,m=1/n(δQv/dT)(單位:J·mol-1·K-¹)
·物質的量為n的系統發生恆容的單純pVT變化時:Qv=△U=nʃT2 T1Cv,mdT(△U=Qv)
·若不恆容,△U=n∫T2 T1Cv,mdT(ΔU≠Qv)
摩爾定壓熱容(Cp,m)
·Cp,m=1/n(δQp/dT)
·物質的量為n的系統發生恆壓的單純pVT變化過程,Qp=△H=n∫T2 T1Cp,mdT
物質的量為n的系統發生非恆壓的單純pVT變化過程
·①理想氣體H=U nRT,△H=n∫T2 T1Cp,mdT
·②凝聚態物質(指處於液態或固態的物質),△U=△H=n∫T2 T1Cp,mdT
Cp,m與Cv,m的關係
對於理想氣體,Cp,m-Cv,m=R
·單原子理想氣體:Cv,m=3/2R,Cp,m=5/2R
·雙原子理想氣體:Cv,m=5/2R,Cp,m=7/2R
·多原子理想氣體:Cv,m=3R,Cp,m=4R
·對於凝聚態物質,Cv,m與Cp,m可認為近似相等
Cv,m(Cp,m)隨T的變化
平均摩爾熱容
·Cp,m=Qp/(n(T2-T¹))=JCp,m dT/(T2-T1)
相變焓
·摩爾相變焓
摩爾相變焓隨溫度的變化
·△rHm(T)=△Hm(T0) ʃT2 T1[Cp,m(β)-Cp,m(α)]dT
化學反應焓
·反應進度:ξ=ΔnB/vB(對於同一化學反應,各組分錶示的化學反應進度是一樣的)
·摩爾反應焓
標準摩爾反應焓
·氣體:任何溫度T,壓力pθ=100kPa且表現出理想氣體的純氣體狀態
·液體或固體:在任何溫度下,壓力pθ=100kPa標準壓力的純液體或純固體狀態
·Qp,m與Qv,m的關係
標準摩爾反應焓的計算
·標準摩爾生成焓(ΔfHmθ):ΔrHmθ=Σ[vBΔfHmθ(B)]
·標準摩爾燃燒焓(ΔcHmθ): ΔrHmθ=Σ[vBΔcHmθ(B)]
·△rHmθ隨溫度T的變化—基希霍夫公式
ΔrHmθ(T)= ΔrHmθ(298.15K) ΔrCp,m(T-298.15K)
可逆過程與可逆體積功
·可逆過程
·可逆體積功的計算
①理想氣體恆溫可逆體積功WT,r:WT,r=nRTln(V1/V2)=nRTln(p2/p1)
②理想氣體絕熱可逆體積功Wa,r
i.理想氣體絕熱可逆方程式
T1/T2=(V1/V2)γ-1或TVγ-1=常數
T1/T2=(p1/p2)(γ-1)/γ或Tp(γ-1)/γ=常數γ=Cp,m/Cv,m稱為理想氣體熱容比,此三式適用於體絕熱可逆過程
p1/p2=(V1/V2)γ或pVγ=常數
ii.理想氣體絕熱可逆體積功Wa,r
Wa,r=ΔU=nRTCv,m(T2-T1)
節流膨脹與焦耳-湯姆遜實驗
·焦耳-湯姆遜實驗
·節流膨脹的熱力學特徵
焦耳-湯姆遜係數(節流膨脹係數):μJ-T=(аT/аp)H
μJ-T>0,氣體節流膨脹後產生致冷效應
μJ-T氣體節流膨脹後產生熱效