高中物理《A 热力学第一定律》微课精讲+知识点+教案课件+习题

知识点:

1. 热力学第零定律、热力学平衡态

热力学第零定律:如果两个系统分别和处于确定状态的第三个系统达到平衡,则这两个系统彼此也将处于热平衡,又叫热平衡定律。

热力学平衡态:当系统的诸种性质不随时间改变而改变,则系统就处于热力学平衡状态。热力学平衡状态必须同时满足热动平衡、力学平衡、相平衡、化学平衡。

2. 功与热

热和功不是能量,是系统和环境进行能量交换的两种基本形式。

功和热只出现与系统状态变化的过程中,只存在于系统和环境的界面上。

3. 功的计算公式:W=-=-p外(V2-V1)=-p2(V2-V1),前者适用于所有过程,恒外压时用后者;一般不考虑非体积功。

☆可逆膨胀做最大功,可逆压缩最做小功。

4. 封闭系统热力学第一定律:△U=W+Q,dU=δQ+δW,热力学能是状态函数,广度性质,是系统内部所有的能量,包括分子的动能和分子间相互作用的位能,理想气体的热力学能仅是温度的函数,U=U(T),实际气体的热力学能不仅与温度有关,还与体积或压力有关,U=U(T,V)或U=U(T,p)。热力学第一定律适应于封闭系统的任何变化。隔离系统热力学能守恒。

对单一理想气体而言,△U=0,则过程温度不变;理想气体混合过程中,△U=0,不能说明温度不变,只有当两种气体初始温度相同时,温度才不变。

5. 焓与焓变:H=U+pV,△H=△U+△(pV)=△U+nR△T,焓是状态函数,广度性质,焓无明确物理意义,理想气体的焓仅是温度的函数,H=H(T),实际气体的焓不仅与温度有关,还与压力或体积有关,H=H(T,p)或H=H(T,V)。

6. 恒压热与恒容热

恒容条件下:V2=V1;可得△U=W+QV=p(V2-V1)+QV=QV;即恒容热与热力学能相等,△U=QV

恒压条件下:p2=p1;可得△H=H2-H1=(U2+p2V2)-(U1+p1V1)=(U2-U1)+p(V2-V1)=△U-W=Qp;即恒压热与焓变相等,△H=Qp

△H=Qp适用于封闭体系中非体积功为零的任何物质的等压过程,△U=QV适用于封闭体系中非体积功为零的任何物质的等容过程,包括有化学反应的过程。

Qp-QV=△H-△U=△(pV),恒容热与恒压热都只取决于始态和终态,但不是状态函数;

7. 热容:,在非体积功为零、无相变和化学反应的均相封闭系统中,系统升高单位热力学温度时所吸收的热称为热容。

(1)摩尔热容:

(2)摩尔定压热:,适用于非体积功为零、无相变和化学反应的均相系统等压过程。

☆dH=CpdT=nCp,mdT,dHm=Cp,mdT,△H=n=nCp,m(T2-T1),适用于非体积功为零、无相变和化学反应的均相系统的等压过程以及无相变和化学反应且系统焓只与温度有关的非等压过程,理想气体、非理想气体、凝聚态均可。理想气体的Cp,m仅是温度的函数,第二个“=”仅适用于Cp,m是不受温度影响的常数。

(3)摩尔定容热:,适用于非体积功为零、无相变和化学反应的均相系统等容过程。

☆dU=CVdT=nCV,mdT,dUm=CV,mdT,△U=n=nCV,m(T2-T1),适用于非体积功为零、无相变和化学反应的均相系统的任何等容过程以及无相变和化学反应且系统内能只与温度有关的非等容过程,理想气体、非理想气体、凝聚态均可。理想气体的CV,m仅是温度的函数,第二个“=”仅适用于Cv,m是不受温度影响的常数。

(4)Cp,m与CV,m的关系:Cp,m-CV,m=,适用于任何均相纯物质系统;理想气体,Cp,m-CV,m=R,单原子分子CV,m=R,双原子分子CV,m=3R/2;凝聚态物质,即液体和固体,Cp,m≈CV,m。

8. 节流膨胀系数μJ-T=,强度性质,与温度和压力有关,可正可负可为零;反映了实际气体在节流膨胀过程中制冷或者制热能力大小。

节流膨胀中dpJ-T>0,则dTJ-T0,表示节流膨胀后气体温度上升,产生制热效应。

理想气体节流膨胀后温度不变,μJ-T=0。

9. 化学反应焓变

(1)标准态:标准态的压力规定为100kPa,用符号p表示,p=100kPa。任意温度T、标准压力p下具有理想气体性质的纯气体、纯液体、纯固体所处的状态为标准态。任何温度下都有各自的标准态。

(2)摩尔反应焓变△rHm

在非体积功为零时,对于温度T、压力p条件下进行的化学反应,完成单位反应进度所引起的反应焓变为摩尔反应焓变,△rHm。

(3)标准摩尔反应焓变

在温度T下,反应方程式中各物质都处于标准态时,化学反应的摩尔反应焓变就是温度T时的标准摩尔反应焓变,。

(4)标准摩尔生成焓

温度为T的标准态下,由稳定的单质生成1 mol β相态的化合物B时的反应焓变,称为化合物B(β)在温度T时的标准摩尔生成焓,。

任何温度下稳定单质的标准摩尔生成焓为零,如石墨、正交硫、红磷(常用白磷)等。

根据生成焓计算焓变:

(5)标准摩尔燃烧焓

温度为T的标准态下,由单位物质的量的B(β)与氧气发生完全氧化反应时的焓变,称为物质B(β)在温度T时的标准摩尔燃烧焓,。

当完全氧化产物的标准摩尔燃烧焓为零,CCO2(g),HH2O(l),SSO2(g),NN2(g),ClHCl(aq),金属变为游离态。

根据燃烧焓计算焓变:

10. 热机效率

热机效率?

11. 过程方程与状态方程

(1)状态方程:系统状态函数之间的定量关系式称为状态方程

对于一定量的单组分均匀系统,状态函数 p, V,T 之间有一定量的联系。经验证明,只有两个是独立的,它们的函数关系可表示为T=f(p,V)、p=f(T,V)、V=f(T,p),例如理想气体的状态方程可表示为:pV=nRT;实际气体的状态方程可表示为:(范德华方程)

对于多组分系统,系统的状态还与组成有关,如T=f(p,V,n1,n2…)

(2)过程方程:即用来描述系统从热力状态1到热力状态2所经历热力过程的数学表达式,就叫热力过程方程式。

这类方程式通常是用可测量P、V和T来表达的。如理想气体等温过程的方程式为:P1×V1=P2×V2=常数;理想气体等压过程方程式为:=常数;理想气体绝热可逆过程方程:TVγ-1=常数、pVγ=常数、p1-γTγ=常数,其中热容比:γ=Cp,m/CV,m;等等。

视频教学:

热力学第一定律


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