热力学的基本概念

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1、热力学1热力学的基本概念一.准静态过程系统从一个状态到另一个状态随时间变化的过程，称谓系统在经历一个热力学过程，简称过程。例：推进活塞压缩汽缸内的气体时，气体的体积，密度，温度或压强都将变化，在过程中的任意时刻，气体各部分的密度，压强，温度都不完全相同。热力学过程非静态过程准静态过程非静态过程显然，过程的发生是系统由一个平衡状态到平衡受到破坏，再达到一个新的平衡态。从平衡态破坏到新平衡态建立所需的时间称为弛豫时间，用τ表示。实际发生的过程往往进行的较快，（如前例）在新的平衡态达到之前系统又继续了下一步变

2、化。这意味着系统在过程中经历了一系列非平衡态，这种过程为非静态过程。作为中间态的非平衡态通常不能用状态参量来描述。热力学中经常讨论的理想气体自由膨胀过程是一个非静态过程。“自由”指气体不受阻力地冲向左边。如图：准静态过程一个过程，如果任意时刻的中间态都无限接近于一个平衡态，则此过程为准静态过程。显然，这种过程只有在进行的“无限缓慢”的条件下才可能实现。对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间远远大于弛豫时间τ才可近似看作准静态过程。理想气体自由膨胀过程中的每一状态都是平衡态(Equilibriums

3、tate)不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间改变。在热力学中经常讨论的理想气体自由膨胀程是一个非静态过程。“自由”指气体不受阻力冲向右边。如图：准静态过程一个过程，如果任意时刻的中间态都无限接近于一个平衡态，则此过程为准静态过程。显然，这种过程只有在进行得“无限缓慢”的条件下才可能实现。对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间远远大于弛豫时间τ才可近似看作准静态过程。理想气体自由膨胀过程中的每一状态都是平衡态不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间改变。气体自由膨胀过程真空初态末态膨胀返回气体自由

4、膨胀过程真空初态末态膨胀返回显然作为准静态过程中间状态的平衡态，具有确定的状态参量值，对于简单系统可用P—V图上的一点来表示这个平衡态。系统的准静态变化过程可用P—V图上的一条曲线表示，称之为过程曲线。这条曲线的方程称为过程方程。准静态过程是一种理想的极限，但作为热力学的基础，我们要首先着重讨论它。[例]右图活塞与汽缸无摩擦，当气体作准静态压缩或膨胀时，外界的压强Pe必等于此时气体的压强P，否则系统在有限压差作用下，将失去平衡，称为非静态过程。若有摩擦力存在，虽然也可使过程进行的“无限缓慢”，但Pe=P

5、.无摩擦准静态过程，其特点是没有摩擦力，外界在准静态过程中对系统的作用力，可以用系统本身的状态参量来表示。二、准静态过程的功和热量PS为简化问题，只考虑无摩擦准静态过程的功。当活塞移动微小位移dx时，外力所作的元功为：在无摩擦准静态过程中：系统体积由V1变为V2，外界对系统作总功为：讨论系统对外作正功；系统对外作负功；系统不作功。PS功的图示：比较a,b下的面积可知，功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，功与过程的路径有关。（功是过程量）由积分意义可知，用求出功的大小等于P—V图上

6、过程曲线下的面积准静态过程中热量的计算常用摩尔热容:摩尔物质温度由吸收的热量热容量和热量Q均为过程量1摩尔物质温度升高（或降低）1K时，吸收（或放出）的热量称为摩尔热容。若1摩尔物质温度升高dT,吸收热量dQ,则三.内能功和热量热力学系统的内能：所有分子热运动的动能和分子间势能的总和。系统的内能是状态量,是热力系状态的单值函数。理想气体：内能的改变只决定于初、末状态而与所经历的过程无关。热量是过程量,是系统与外界热能转换的量度。在这一点上传热和作功是等效的。都是能量传递的形式,都是过程量,而不是态函数.

7、做功可以改变系统的状态,使系统内能改变.摩擦升温（机械功）、电加热（电功）作功是系统内能与外界其它形式能量转换的量度。当系统和外界温度不同时，就会发生传热，热量传递可以改变系统的状态,使系统内能改变.2热力学第一定律某一过程，系统从外界吸热Q，对外界做功A，系统内能从初始态E1变为E2，则由能量守恒：系统从外界吸收的热量，一部分使系统内能增加，另一部分用于对外作功。热力学第一定律热力学第一定律表明一切热力学过程都必须服从能量守恒定律。包括热现象在内的热力学第一定律是能量守恒与转换定律。第一类永动机是不可

8、能造成的。对无限小过程：如果系统对外作功是通过体积的变化来实现的，则或系统吸收热量，Q>0；系统放出热量,Q<0；系统对外作正功,A>0；系统对外作负功，A<0；适用范围：与过程是否准静态无关。即准静态过程和非静态过程均适用。但为便于实际计算，要求初终态为平衡态。规定系统内能增加，E>0；系统内能减少，E<0,例:某一定量气体，吸热800J，对外作功500J，由状态A经Ⅰ变到状态B，气体内能改变了多少？若气体沿过程Ⅱ由状态B回到状态A，