第1章热力学基础技巧.ppt

第1章 热力学基础;热力学基本定律包括热力学第零定律、第一定律与第二定律，其中热力学第一定律与第二定律是构筑热力学体系的两块重要基石． 热力学第一定律是表述热力学系统所遵循的能量守恒关系，功和热在热力学系统状态变化过程中所起的作用是相当的． 热力学第二定律是表述热力学过程进行的方向问题，功和热之间的相互转换是不同的． 本节将对热力学的基本概念、基本规律作总结性概括．;热力学基本概念;一、热力学系统与外界;所有与系统有相互联系的周围物体或物体组称为系统的外界，简称为外界．外界可以概括为加在所研究系统上一定的外界条件（例如压强、体积和电磁场等），外界对系统的影响可以用外界条件表示．根据系统与外界的相互作用的不同方式可以把系统划分为三类：;（１）孤立系统：与外界不发生任何相互作用的系统称为孤立系统．此时系统和外界既无能量交换也无物质交换．这种系统只是理论研究中的一种理想情况，自然界中不存在真正的孤立系统.当系统与外界的相互作用小到可以忽略时，便可以把它近似看成孤立系统． （２）封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换的系统称为封闭系统． （３）开放系统：与外界既没有物质交换，也没有能量交换的系统称为封闭系统，简称开系．;二、热力学系统的状态描述;状态参量可分为内参量和外参量，内参量表征系统内部的状态，如气体的温度、密度以及介质的极化强度等都是内参量；外参量表征系统外界的状态，或者说加在系统上的外界条件，如容器的体积和作用于系统的电、磁场强度等都是外参量．一般来说，内参量和外参量的区分不是绝对的，而是取决于系统和外界的界限是如何划分的．;状态参量还可以按它与系统质量的关系划分为广延量和强度量两类．在同一状态中与系统的质量成正比的态参量称为广延量，如粒子数、体积、内能等；与系统的质量无关的态参量称为强度量，如温度、压强、密度等． 有些广延量和相应的强度量常常以固定的搭配形式出现，因而形成确定的共轭关系，而且它们的乘积都具有能量的量纲．如压强ｐ与体积Ｖ、温度Ｔ与熵Ｓ等．;;三、平衡态与非平衡态;;(1)当系统处于平衡态时，虽然其宏观性质不再随时间发生变化，但组成系统的大量微观粒子仍然在不停地运动着，只是这些微观粒子运动的平均效果不变而已．所以热力学平衡态是一种动态平衡，常称为热动平衡．;(2)平衡态是一个理想化的概念，是在一定的条件下对实际情况的抽象和概括．例如，在较短的时间内，可以把状态变化极为缓慢的系统所处的状态看成平衡态．当系统处于非平衡态时，可以采用局域平衡的方法来近似处理，即把系统划分成许多较小的部分，每一部分就本身而言近似处于平衡态．;;非平衡态又可分为近平衡和远离平衡两种非平衡态．前者称为线性非平衡态，它的变化最终导致趋于平衡态．这是在通常热力学中所讨论的非平衡态问题．后者称为非线性平衡态，它由于远离平衡态而形成新的结构，即耗散结构．这是比利时布鲁塞尔学派普里高津(Prigogine)于1969年提出的新概念．;四、物态方程;理想气体物态方程;标准状态：;理想气体物态方程：;分子质量为 m0，气体分子数为N，分子数密度 n。;标准状态下的分子数密度：;简单固体和液体(均匀各向同性)的物态方程;电介质固体的物态方程;顺磁固体的物态方程;五、与物态方程有关的三个系数;定容压强系数;等温压缩系数;六、热力学过程;如果过程进行得非常缓慢，致使系统在过程进行中所经历的每一个状态都可以看成是平衡态，这样的过程称为准静态过程．反之，若过程进行中系统平衡态被破坏的程度大到不可忽略时，这样的过程称为非静态过程．通常准静态过程又叫平衡过程，非静态过程又叫非平衡过程．;实际上，过程的发生，意味着系统原来平衡状态的破坏，而且只有经过一定的时间以后，系统才有可能达到新的平衡态，这段时间称为弛豫时间τ．所以，严格地说，在过程进行的每一瞬间，系统的状态都是非平衡的．但是，只要在过程进行中每一步的时间Δｔ都比弛豫时间τ长，即Δｔ＞τ，就能把这个过程看成准静态过程来处理．而且过程进行得越缓慢，系统在过程进行中所经历的每一个状态就越接近于平衡态．;设一系统从状态Ａ经过某一过程Ｐ到达状态Ｂ，如果我们可以找到另外一个过程Ｒ，它可以使一切恢复原状(系统和外界都恢复到原来的状态)，则称过程Ｐ为可逆过程；反之，如果无法找到满足上述条件的过程Ｒ，则过程Ｐ就称为不可逆过程．;显然，在可逆过程中，外界条件与系统的状态是一一对应的，即有确定的关系，这样就要求过程中每个中间态都应是平衡态．但是完全由平衡态组成的过程是不存在的，因此实际上是代之以准静态过程．;无耗散的准静态过程是可逆过程．由于实际上既不能使过程进行得无限缓慢，也不可能完全避免摩擦之类的耗散效应(如磁滞、黏滞等)，所以，可逆过程也是一个理想化概念．自然界中与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程．例如，摩擦生热、热