5.热力学第一定律在气体中的应用

对一定质量的理想气体(除碰撞外忽略分子间的相互作用力,因此没有分子势能),热力学第一定律ΔU=Q+W中:⑴ΔU仅由温度决定,升温时为正,降温时为负;⑵W仅由体积决定,压缩时为正,膨胀时为负;⑶QΔUW共同决定;⑷在绝热情况下Q=0,因此有ΔU= W

例14. 钢瓶内装有高压氧气。打开阀门氧气迅速从瓶口喷出,当内外气压相等时立即关闭阀门。过一段时间后再打开阀门,会不会再有氧气逸出?

解:第一次打开阀门氧气“迅速”喷出,是一个绝热过程Q=0,同时氧气体积膨胀对外做功W<0,由热力学第一定律ΔU<0,即关闭阀门时瓶内氧气温度必然低于外界温度,而压强等于外界大气压;“过一段时间”经过热交换,钢瓶内氧气的温度又和外界温度相同了,由于体积未变,所以瓶内氧气压强将增大,即大于大气压,因此再次打开阀门,将会有氧气逸出。

例15. 一定质量的理想气体由状态A经过ABCA的循环过程(AB为等温线),其中那些阶段是吸热的,那些阶是放热的?整个过程是吸热还是放热?

解:首先可以判定C状态下气体温度较高。根据热力学第一定律分阶段列表进行分析如下:各阶段都应先根据温度和体积的变化确定ΔUW的正负,再根据ΔU=Q+W确定Q的正负。全过程始末温度相同,所以内能相同,但由图可知:W=FS=pΔV(气体做功等于p-V曲线下到横轴间的面积),由图可见AB阶段气体对外界做功少,CA阶段外界对气体做功多,BC阶段气体体积不变W=0,因此全过程外界对气体作正功,气体必然放热。结论是ABBC气体吸热;CA和全过程气体放热。

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