合金热力学及其应用 第二章 热力学基础 2.2 热力学第一定律──能量关系

发布日期:[12-07-25 18:46:38] 浏览人次:[]

2.2  热力学第一定律──能量关系

2.2.1  几个常用的名词和概念

1、体系和环境   体系就是我们所研究的对象。它的周围叫做环境。之所以要区分这两部分,是为了便于集中研究我们所选定的、或直接和我们工作有关的事物,而同时又不忽视和它有联系的事物。

如何划分体系和环境的范围要视具体情况来定,并非一成不变。体系和环境的定义范围不同,二者之间的联系就不同。为了描述体系与环境之间的关系,我们把与环境之间既有物质交换,也有能量交换的体系叫做敞开体系或开放体系。而把与环境之间只有能量交换,而无物质交换的体系叫做封闭体系或关闭体系。如果体系和环境之间既无物质交换,也无能量交换,这种体系叫做隔离体系或孤立系。

比如,把一杯水放在绝热箱里,把水定义为体系,则绝热箱就是环境了。因为水蒸汽可以进入到绝热箱里,水与绝热箱之间既有物质交换,又有能量交换,因此这里水就是敞开体系。如果把水装入一个不透气的瓶子里,那么水与绝热箱之间只能有能量交换,而不能有物质交换,此时水就是封闭体系了。如果把绝热箱及其中的东西一起当做一个体系,那么对于周围来说,整个绝热箱就是一个孤立系了。

2、状态、状态函数和过程  一定的物质在一定的条件下具有一定的性质。例如,1摩尔氧在0℃和1个大气压下,体积是22.4升,密度是1.43克/升。如果条件改变,这些性质也要变。为了概括体系的种种性质,我们使用了一个普通的名词──状态。当体系的各种性质都具有一定的数值时,我们说,体系处于一定的状态。当体系的性质改变时,我们说,体系的状态有所改变。

显然,体系的状态和性质是互相制约的。状态一定,体系的性质也就一定;状态改变,体系的性质也要改变。可见,体系的性质是由状态确定的。因此,体系的性质是状态的函数。我们把这些性质,不管是体系的温度、压力、体积、能量或其他,都叫做体系的状态函数。

体系由一种状态变化到另一种状态需要有个过程。但是,体系的状态函数取决于体系的状态,与变化的过程无关。

这里需要指出:热力学中所谓状态,都是指平衡状态,即在一定的条件下是稳定的、不随时间而改变的状态。

3、强度性质和广度性质  有两类状态性质:一类与体系的总量无关,例如温度、压强、比表面能、磁场强度等等,这类性质叫做强度性质。另一类则与体系的总量成比例,例如体积、面积、质量等等,这类性质叫做广度性质。

2.2.2  热、功和内能

物质运动时常伴有能量的转换或传递。例如,机械运动可使机械功通过摩擦转变为热,热传到水中可使水沸腾成为水蒸汽,蒸汽膨胀又可做功。热和功是能量传递最常见的形式。

1、功  力和位移的乘积等于此力所作的功。以气体在气缸中膨胀为例(见图2.2),设活塞外的压力为P,活塞的面积为S,当活塞被气体从A推到B处时,它移动了距离△l,气体的体积从原来的V1胀大为V2。如果忽略摩擦,则气体反抗外力所作的功为

对于作功而言,有两个特点需要注意:

(1)始态和终态相同时,功随途径而变。

(2)始态和终态相同时,可逆过程的功最大。

图2—2  气体膨胀作功

所谓可逆过程是指无限小的条件的改变就能使其逆向进行的过程。

2、热  在过去很长的一段时间里,人们认为热是一种没有重量的物质,直到1849年焦尔进行了著名的热功当量实验,才证明热是一种形式的能量。热从物体传到环境,或从环境传到物体,根据情况可以发生温度的变化,也可以不发生温度的变化。前一种情况涉及的热称为显热,后一种情况涉及的热称为潜热。

热的单位用卡表示,其定义是:1克水从14.5℃升温1℃所吸收的热等于1卡。

1克物质升温1℃所吸收的热叫做该物质的比热,用小写c表示。显然,水的

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