材料热力学-第二章

第二章热力学基础

材料热力学的基础：热力学的基本概念和基本定律经典热力学的核心和精髓：热力学3个(或称4个)基本定律

2.1 热力学基本概念

2.2 热力学第零定律（热平衡和温度）

2.3 热力学第一定律（能量关系)

2.4 热力学第二定律（过程方向）

2.5 热力学第三定律（熵值计算）

2.1 热力学基本概念(Basic concepts)

1.体系(system)和环境(surroundings)

2.系统的状态(State)和状态函数(State Function)

3.系统的过程与途径

4.体系的性质

5.热力学平衡态

体系

(system)：研究的对象(是大量分子、原子、离子等物质微粒组成的宏观集合体)。人为地将所研究的一定范围的物体或空间与其余部分分开，作为我们研究的对象。1. 体系(system)和环境(surroundings):

环境(surroundings )：体系的周围部分

1. 体系(system)和环境(surroundings):

体系和环境的划分不是绝对的。

如何合适地选择体系，是解决热力学问题时必须考虑的。

例如：一个密闭容器，内装半容器水。

若以容器中的液体为体系，则为敞开体

系。因为液体水不仅可与容器内的空气

（环境)交换热量，且可与液面上的水蒸气

交换物质。

如果选整个容器为体系．则只与环境发

生热量交换，故为封闭体系。

如果将容器及其外面的空气一起选为体

系，则为孤立体系。

2 . 系统的状态和状态函数

状态：体系有一定的外在的宏观表现形式，每一个外在表现形式称作体系的一个状态。

状态是体系所具有的宏观性质。

状态与性质单值对应，因此:

系统的宏观性质也称为系统的状态函数。

当系统的状态变化时，状态函数的改变量只决定于系统的始态和终态，而与变化的过程或途径无关。

3．系统的过程与途径

过程：系统由始态变化到终态的过渡。

途径：完成过程的具体步骤。系统由始态变化到终态所经历的过程的总和。

系统的变化过程分为:

•P、V、T变化过程,

•相变化过程,

•化学变化过程等。

¾强度性质(intensive properties)：与体系中所含物质的量无关，无加和性(如P ,T 等)。(defined at points and do not scale with the size of the system)

¾广度(容量)性质(extensive properties)：与体系中所含物质的量有关，有加和性(如V,U,H ……等). (not defined at points in space and scale with the size of the system)

4. 体系的性质:

Extensive properties can be made intensive by normalizing.

Thermodynamic Properties can be either intensive or extensive:Any characteristic of a system is called a property .

Thermodynamic Properties can

be either intensive or extensive:

Criterion to differentiate intensive

and extensive properties.

5.热力学平衡态

系统在一定环境条件下，经足够长的时间，其各部分可观测到的宏观性质都不随时间而变，此时系统所处的状态叫热力学平衡态。

热力学系统，必须同时实现以下几个方面的平衡，才能建立热力学平衡态：

(i)热平衡—系统各部分的温度T相等；若系统不是绝热的，则系统与环境的温度也要相等。

(ii)力平衡—系统各部分的压力p相等；系统与环境的边界不发生相对位移。

(iii)质平衡—体系和环境所含有的质量不随时间而变。(iv)化学平衡—若系统各物质间可以发生化学反应，则达到平衡后，系统的组成不随时间改变。

5.热力学平衡态

A closed system reaching thermal equilibrium.

2.2 热力学第零定律（热平衡定律）和温度

TEMPERATURE AND THE ZEROTH

LAW OF THERMODYNAMICS

2.2 热力学第零定律（热平衡定律）和温度

热力学第零定律：若A 与B热平衡, B 与C 热平衡时, A 与C 也同时热平衡。

If two bodies are in thermal equilibrium with a third body,

they are also in thermal equilibrium with each other.

T A= T C and T B= T C=>T A= T B

“温度”的概念是以热力学第零定律为基础, 而后才被建立起来的。温度：物体的冷热程度。

通常用摄氏温度来表示温度，并规定一个大气压下纯水的冰点是0o C, 沸点为100o C。

2.2 热力学第零定律（热平衡定律）和温度

无数事实证明：冷热不同的两个物体相接触，它们的温度逐渐接近，最后达到相同。这时，我们说两个物体达到了热平衡。

热力学第零定律也可以表示为：一切互为热平衡的物体，具有相同的温度。

该定律是一切热现象的基础。

Two bodies reaching thermal equilibrium after being

brought into contact in an isolated enclosure.

Two bodies are in thermal equilibrium if both have the same temperature reading .