《材料热力学与动力学》读书报告

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1、《材料热力学与动力学》读书报告热力学第一定律:自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。热力学第一定律就是能量守恒定律。或者说是热力学范畴内的能量守恒定律。所谓能量守恒与转化定律即“自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，在转化中，能量的总量不变。”首先考虑在绝热过程中能量的传递和转化。从逻辑上说，在绝热过程的定义中可以不涉及热的概念：一个过程，其中物体状态的变化完全是由于机械的或电的直接作用的结果，而没有受到其他影响，称为绝热过程。绝热过程中，体系状

2、态的变化完全是由于体系对环境作功，或者是环境对体系作功所引起。　　从1840年开始，在长达二十多年的期间内，焦耳作了一系列的实验，水盛在由绝热壁构成的容器内，重物下降带动叶片在水中搅动，水温受叶片搅动而升高。如果把水和叶片看作体系，其温度的升高(状态的改变)完全是重物下降作功的结果。水和电阻器放在由绝热壁构成的容器内，接上电源，让稳定电流通过电阻器而使水温升高。如果把水和电阻器看作体系，其温度的升高完全是电源作功的结果。这两个绝热过程的实验结果表明，使同量之水升高一定的温度，所需的功在实验误差范围内是相等的。焦耳反覆进行的大量实验都说明：无论以何种方式使一个绝热体系自一定的始态变到一定的

3、终态，所需之功都是相等的。换言之，“绝热功之多少只为体系始终态所决定，而与途径（作功方式）无关。”这说法可算是第一定律的一种特殊形式。　　状态函数的改变量只为体系的始终态所决定，而与变化途径无关。绝热功与“状态函数的改变量”性质相同，因此可以用绝热过程中外界对体系所作的功WS定义一个状态函数U。在终态B与始态A之差　UB－UA＝DU＝WS（1-13）　　称状态函数U为内能。　　外界对体系作功，Ws为正，体系内能增加；体系对环境作功，WS为负，体系内能减小。不作功的绝热体系为孤立体系，由式(1-13)得孤立体系中所进行的任何过程，DU＝0，即“孤立体系内能不变”，这也是第一定律的一种表述，

4、孤立体系中内能是守恒的。　　经验表明，在不作功的情况下，当体系与温度不同的另一物体相接触时(无绝热壁相隔)，体系的状态亦会发生变化，其内能自然也会变化。“在不作功的情况下，封闭体系内能的改变称之为热”，这可作为热的定义。　　W＝0，Q＝DU＝UB－UA（1-14）　　热是不同于功的体系与环境交换能量的另一种方式。体系吸热，Q为正，体系内能增大；体系放热，Q为负，体系内能减小。一物体吸热，必有另一物体放出等量的热，反之亦然。　　过程中，体系既吸热Q，环境对体系又作功W，那么体系内能之改变[结合式(1-13)与式(1-14)]DU＝Q＋W（1-15）对微小变化过程，写成　dU＝dQ＋dw（1

5、-16）　　　　式(1-15)和(1-16)是热力学第一定律的数学表达式。　第一定律可表述为：“体系在过程中内能之改变等于在过程中体系吸收的热加上外界对体系所作的功。”　　应当强调，内能是状态函数，是体系的容量性质。当体系的初态A和终态B给定后，内能的改变就有确定值，与体系从A到B过程所经历的途径无关。dU是内能函数的全微分。内能是指体系内部的能量，包括分子运动的平均能、转动能、振动能、电子及核的能量，以及分子与分子间相互作用的位能等。除内能外，体系还可以有整体运动的动能，在外力场中的位能。化学热力学中，通常是研究宏观静止的物体，无整体运动，并且一般没有特殊的外力场存在(电磁场、离心力场

6、等)，因此无须考虑体系整体运动的动能和在外力场中的位能。　　还需注意，式(1×15)和(1×16)中的初态和终态应是平衡状态，而过程所经历的中间状态则可以是不平衡的。式(1×15)和(1×16)只给出体系内能在过程中的改变量，至于体系内能的绝对数值，热力学是无法确定的。　　功和热不是状态函数，不是体系的性质，是与过程有关的物理量。功和热是体系与环境交换能量的两种不同方式，功是宏观方式，与广义位移相联系；热是微观方式，是由于温度的不同，而在体系与环境间所交换的能量。W和Q不能进行微分，dw和dQ不是全微分，它们分别代表微量的功和微量的热。设体系由状态A经历两个不同的过程Ⅰ和Ⅱ到达状态B，过

7、程Ⅰ的功和热是W1和Q1，过程Ⅱ的功和热是W2和Q2，一般地说，　W1≠W2，Q1≠Q2，但W1＋Q1＝W2＋Q2。　　热力学第一定律是人类长期实践的经验总结，十八世纪资本主义发展时代，人们在生产斗争中幻想制造一种机器，能不断地自动作功，而不需任何动力或燃料或他种供给品。后来人们把这种假想的机器称作第一类永动机。在这个幻想指导下，曾经有许多人提出了多种多样的所谓永动机的设计，但所有这些设计在实践中都失败了。在1775年巴黎科学院宣布