第6章 热力学基础
程守洙《普通物理学》(第5版)(上册)章节题库-热力学基础(圣才出品)
十万种考研考证电子书、题库视频学习平台圣才电子书 第6章热力学基础一、选择题1．一定量的理想气体，分别进行如图6-1所示的两个卡诺循环abcda 和a′b′c′d′a′，若在PV 图上这两个循环曲线所围面积相等，则可以由此得知这两个循环（）。
图6-1A．效率相等B．由高温热源处吸收的热量相等C．由低温热源处放出的热量相等D．在每次循环中对外作的净功相等【答案】D【解析】循环曲线所围面积就是循环过程做的净功。
2．如图6-2所示，和为两条等温线。
若ab 为一绝热压缩过程，则理想气体由状态c 经cb 过程被压缩到b 状态，在该过程中气体的热容C 为（）。
A．C＞0B．C＜0十万种考研考证电子书、题库视频学习平台圣才电子书 C．C＝0D．不能确定图6-2【答案】B3．关于可逆过程和不可逆过程有以下几种说法，正确的是（）.（1）可逆过程一定是准静态过程；（2）准静态过程一定是可逆过程；（3）对不可逆过程，一定找不到另一过程使系统和外界同时复原；（4）非静态过程一定是不可逆过程。
A．（1），（2），（3）B．（2），（3），（4）C．（1），（3），（4）D．（1），（2），（3），（4）【答案】C4．图6-3示四个循环过程中，从理论上看能够实现的循环过程是图（）。
图6-3【答案】（a）二、填空题1．一台理想热机按卡诺循环工作，每一个循环做功，高温热源温度T1＝100℃，低温热源温度T2＝0℃，则该热机的效率为______，热机每一循环从热源吸收的热量为______J，每一循环向低温处排出的热量是______J。
【答案】0.268；2.73×105；2.008×105【解析】由卡诺循环的效率公式，有热机每一个循环从热源吸收的热量为每一个循环向低温热源排出热量是2．质量为1kg的氧气，其温度由300K升高到350K。
若温度升高是在下列三种不同情况下发生的：（1）体积不变；（2）压强不变；（3）绝热。
热力学基础知识
热力学基础知识热力学是一门研究能量转化与传递的学科，是自然科学的基础。
热力学的概念源于研究热与功之间的相互转化关系，以及能量在物质之间的传递过程。
本文将通过介绍热力学的基本概念、热力学定律和热力学过程，帮助读者了解热力学的基础知识。
1. 热力学的基本概念热力学研究的对象是宏观体系，即指由大量微观粒子组成的物质系统。
热力学通过对体系的宏观性质进行观察和测量，来揭示物质和能量之间的关系。
热力学的基本概念包括系统、热、功、状态函数等。
系统是热力学研究的对象，可以是孤立系统、封闭系统或开放系统。
孤立系统与外界不进行物质和能量交换，封闭系统与外界可以进行能量交换但不进行物质交换，开放系统则可以进行物质和能量的交换。
热是能量的一种传递方式，是由高温物体向低温物体传递的能量。
热的传递方式有导热、对流和辐射。
功是对系统做的物质微观粒子在宏观层面的效果，是由于力的作用而引起物体位移的过程中所做的功。
例如，当一个物体被推动时，根据物体受力和运动方向的关系，可以计算出所做的功。
状态函数是由系统的状态决定的宏观性质，不依赖于热力学过程的路径，只与初态和终态有关。
常见的状态函数有温度、压力、体积等。
2. 热力学定律热力学定律是热力学基础知识的核心内容，揭示了宏观物质之间相互作用的规律。
第一定律：能量守恒定律，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第一定律表达了能量的守恒关系，即系统的内能变化等于吸收的热量与做的功的差。
第二定律：热力学第二定律描述了自然界的能量传递过程中不可逆的方向。
它说明热量会自发地从高温物体传递到低温物体，而不会反向传递。
热力学第二定律还提出了热力学箭头的概念，即自然界中某些过程的方向是不可逆的。
第三定律：热力学第三定律说明在绝对零度（0K）下，熵（系统的无序程度）将趋于最低值。
此定律进一步阐述了热力学中的温标和熵的概念。
3. 热力学过程热力学过程描述了系统由一个状态转变为另一个状态的过程。
热力学基础PPT课件
REPORTING
目录
• 热力学基本概念与定律 • 热力学过程与循环 • 热力学第二定律与熵增原理 • 理想气体状态方程及应用 • 热力学在能源利用和环境保护中应用
PART 01
热力学基本概念与定律
REPORTING
热力学系统及其分类
孤立系统
与外界没有物质和能量交换的系统。
一切实际过程都是不可逆过程。
热力学温标及其特点
热力学温标 热力学温标是由热力学第二定律引出的与测温物质无关的理想温标。
热力学温度T与摄氏温度t的关系为：T=t+273.15K。
热力学温标及其特点
01
02
03
04
热力学温标的特点
热力学温标的零点为绝对零度 ，即-273.15℃。
热力学温标与测温物质的性质 无关，因此更为客观和准确。
01
可逆过程
02
系统经过某一过程从状态1变到状态2后，如果能使系统 和环境都完全复原，则这样的过程称为可逆过程。
03
可逆过程是一种理想化的抽象过程，实际上并不存在。
04
不可逆过程
05
系统经过某一过程从状态1变到状态2后，无论采用何种 方法都不能使系统和环境都完全复原，则这样的过程称为 不可逆过程。
06
PART 03
热力学第二定律与熵增原 理
REPORTING
热力学第二定律表述及意义
热力学第二定律的两种表述
01
04
热力学第二定律的意义
克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物 体传到高温物体。
02
05
揭示了自然界中宏观过程的方向性。
开尔文表述：不可能从单一热源取热，使 之完全变为有用功而不产生其他影响。
热学基础知识.ppt
无摩擦准静态过程，其特点是没有摩擦力，外界在准静态过 程中对系统做的功，可以用系统本身的状态参量来表示。 外界在准静态过程中对系统做的功等于系统对外界做的功的负值
设气缸内的气体进行膨胀过程，当活塞移动微小ห้องสมุดไป่ตู้移dl 时，气
体对外界所作的元功为（系统对外作功为正） V是系统体积
dA
pS
dl
pdV
系统体积由V1变为V2，系统对外界作总功
为：
V2
面积
A pdV 体积功 V1
p
pe
形状不规则的容器（例如充气袋）中的气体作功呢？
p1
a
b
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 2 径有关。
功是过程量
0
V1
V V2
求准静态过程的功，即 为求虚线部分的面积
无法用统一的状态参量来描述其状态.
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时间 △t 远远大于弛豫时间τ才可近似看作准静态过程 。
举例1：外界对系统做功
非平衡态到平衡态的过渡时间，
RT
vi RT
(i 1,2, , n)
n
其中，M mi为n种理想气体的总质量
1
pi 为第i种理想气体单独存在时的压强
n个方程相加得：
( p1 p2 pn )V (v1 v2 vn )RT
n
n
令 p pi v vi
1
1
道尔顿分压定理
pV vRT
第六章溶液热力学基础9-20121218
认为H E 0, S E 0
则G TS
E
E
使用最广泛的Wilson方程和NRTL方程和 UNIQUAC方程都是在无热溶液基础获得的。
2
活度系数模型对应溶液理论 前期纯经验模型
后期溶液理论发展，较为严格的活度系数模型被提出
n n1 n2 12 n2 n n1 2 2 2 21 2 n n n n ln(x1 x2 12 ) n1 n 2 x1 x2 12 x2 x1 21
x1 x2 (1 12 ) x ( 21 1) ln(x1 x2 12 ) x1 x2 12 x2 x1 21
(ij ii ) ij exp vi RT vj
对多元溶液中任一组分的活度系数表达式为： m m xi ik ln k 1 ln x j kj m j 1 i 1 x j ij
j 1
Wilson方程：二元溶液是一个两参数方程
Kx2 ln(12 21 ) 1 12 1 x2 1 ( x2 21 x1 )( x1 12 x2 ) x2 21 x1 x1 12 x2
Wilson 2
对多元系，各组分的活度系数表达式为：
ln i ln
gE 0
当两者之一大于1而另一小于1时，则表明该溶液 的非理想性不十分显著。
ij 值可由二元交互作用能量参数值 (ij ii ) 确定
(ij ii ) 需要通过二元气-液平衡数据回归确定，其
值可为正值或负值
(ij ii )
受温度影响较小，在不太宽的温度范围 内可以视为常数
热力学基础
可得
p1V1 p2V2 Aa CV ,m ( ) R R
Aa
( p1V1 p2V2 )
Aa
p1V1 p2V2 1
绝热过程方程的推导
dQ 0 , dA dE
p1
p
1( p1,V1,T1 )
Q0
( p2 ,V2 ,T2 ) 2
2.热力学过程
当热力学系统（大量微观粒子组成的气体、固 体、液体）在外界影响下，从一个状态到另一个状 态的变化过程，称为热力学过程，简称过程。 准静态过程 非静态过程
热力学过程
A、非静态过程
系统从一平衡态到另一平衡态，过程中所有中
间态为非平衡态的过程。 当系统宏观变化比弛豫更快时，这个过程中每一 状态都是非平衡态。 系统从平衡态1到平衡态 2，经过一个过程,平 衡态 1 必首先被破坏，系统变为非平衡态，从非平 衡态到新的平衡态，所需的时间为弛豫时间。 即：弛豫时间 是系统从一个平衡态变到相邻平衡态 所经过的时间
p
等 p ( p,V2 ,T2 ) ( p,V1,T1 ) 2 1 压 压 W 缩 o V2 V1 V
p
Qp
E2
E1
W
Qp
E1
W
E2
(3) 等温过程
T 常量 过程方程 pV 常量 dE 0
特征
p p1
1 ( p1,V1, T )
p2
( p2 ,V2 ,T )
2
热力学第一定律
o
恒 温 热 源 T
分子热运动能量
热量
热量也是能量变化的量度 热量随时间变化，也是过程量
功与热量的异同
1）过程量：与过程有关；
大学物理学：第六章 大气热力学基础
2）物理意义： 在等压过程中，系统焓的增量值等于它所吸收的热量。
3）定压比热Cp
Cp
( Q) p
dT
H T
p
热容量和焓
• 热量是在过程中传递的一种能量，是与过程有关的。一个系统在 某一过程中温度升高1K所吸收热量，称作系统在该过程的热容量。
• 对于等容过程，外界对系统不做功，Q =ΔU，所以
s T
p
1 T
h T
p
cp T
(26)
s
p
T
T
p
ds
s T
p
dT
s p
T
dp
(6.1.22)
ds
cp T
dT
T
P
dp
cpd
ln T
pdp
(6.1.28)
以6.1.25和6.1.27代入6.1.23式
dh
h T
p
dT
h p
T
dp
(6.1.23)
dp
cpdT
Hale Waihona Puke 1dp四、热力学第二定律
能量守恒，反映物质运动不灭但是没有回答过程的方向性（可 逆与不可逆）。
热力学第二定律的实质
指出了自然界中一切与热现象有关的实际过程都是不可逆过程， 揭示出实际宏观过程进行的条件和方向。
自然过程的方向性
• Example 1 功热转换过程的方向性 • 功变热的过程是不可逆的。 • 卡诺循环：吸收热量Q1，做功，必须有一部分热量
dG SdT Vdp (6.1.20)
dG
G T
p
dT
G p
T
dp
G T
p
S,
G
第六章-溶液热力学基础8-20121213
RT ln 1 x2 (a0 2a1 x1 )
RT ln 2 x1 (a0 a1 2a1 x2 )
2
j 0
j j 1
Redlich和Kister的改进式：
2 3 g E x1 x2 A B ( x x ) C ( x x ) D ( x x ) 1 2 1 2 1 2
i ？
对于活度系数法，
i 模型是关键
G E RT ln i n T , P ,n n i
j
i
2 与T,P,x有关,来自理论、半理论、经验
活度系数模型对应溶液理论 前期纯经验模型
后期溶液理论发展，较为严格的活度系数模型被提出
提出时间 1895 年 1913 年 1929 年 1942 年 1946 年 1948 年 1964 年 1968 年 1969 年 1975 年 1975 年 活度系数模型 Margules 方程 van Laar 方程 Schtchard-Hildermbrand 正规溶 液模型 Flory-Huggins 方程 Wohl 展开式 Redlich-Kister 展开式 Wilson 方程 NRTL 方程 ASOG 模型 UNIQUAC 方程 UNIFAC 方程 理论基础 经验模型 van Laar 理论 正规溶液理论 无热溶液理论 经验性模型 经验模型 局部组成概念 局部组成概念， 双液体理论 基团贡献法 通用似化学理论 基团贡献法
6
§ 6.8.1 Margules方程与Redlich-Kister展开式 1895 年，Margules，将摩尔过量Gibbs自由能 表达为组成的幂级数，二元溶液：
g E x1 x2 a j x1j
6-7 热力学第二定律 卡诺定律
第六章热力学基础
第二
Perpetual motion machine of the second kind
永 动 机 的 设 想 图
6 – 7 热力学第二定律的表述 卡诺定理
第六章热力学基础
两种说法的等效性： 两种说法的等效性： 说法的等效性
热力学第二定律的开尔文说法和克劳修斯说法 热力学第二定律的开尔文说法和克劳修斯说法 实质上是等效的. 实质上是等效的. 高温热源 T1
6 – 7 热力学第二定律的表述 卡诺定理
例题: 例题: 图上两条绝热线不能相交。 试证在 p-V 图上两条绝热线不能相交。
p Ⅰ
第六章热力学基础
用反证法. 用反证法
Ⅱ A Ⅲ
V
假设两条绝热线I与 在 图上相交于一点A， 解: 假设两条绝热线 与II在p-V图上相交于一点 ，如图所 图上相交于一点 示。 现在在图上画一等温线Ⅲ ，使它与两条绝热线组成一个循
Notes: ② 指的是循环过程
开尔文
• 说明：若不是循环过程，从单一热库吸收热量全 说明：若不是循环过程， 部转化为有用的功是完全可能的。如等温膨胀。 部转化为有用的功是完全可能的。如等温膨胀。
的热机不存在. ③ 意味着 η =1的热机不存在 的热机不存在
6 – 7 热力学第二定律的表述 卡诺定理
T1 > T 2
T1
Q1
卡诺热机
W
D
W
B
T2
C
V
Q2
低温热源 T 2
o
6 – 7 热力学第二定律的表述 卡诺定理 2. 克劳修斯说法（Clausius statement) ： 不可能把热量从低温物体自动 自动传到高温 不可能把热量从低温物体自动传到高温 物体而不引起外界的变化 物体而不引起外界的变化 .
热力学基础2
第六章 热力学基础§6-1 内能 功 热量一、内能内能：物体中所有分子无规则运动动能+势能（分子振动势能、相互作用势能）。
内能E()V P E E ,= 真实气体： ()T V E E ,=()P T E ,= （V P T ,,中有2个独立） 理想气体： ()PV i RT i M T E E 22===μ说明：⑴E 是状态的单值函数，由（V P T ,,）决定（V P T ,,中只有2个独立变量），⇒E 为态函数，其增量仅与始末二状态有关，而与过程无关。
⑵理想气体，()T E E =是温度的单值增加函数。
二、功与热量的等效性焦耳曾经用实验证明：如用做功和传热的方式使系统温度升高相同时，所传递的热量和所做的功总有一定的比例关系，即1卡热量=4.18焦耳的功可见，功与热量具有等效性。
由力学知道。
对系统做功，就是向系统传递能量，做功既然与传热等效，则向系统传热也意味着向系统传递能量。
结论：传递能量的两种方式 做功传热说明：做功与传热虽然有等效的一面，但本质上有着区别。
区别 做功：通过物体作宏观位移完成。
作用是机械运动与系统内分子无规则运动之间的转换。
从而改变内能。
传热：通过分子间相互作用完成。
作用是外界分子无规则热运动与系统内分子无规则热运动之间的转换。
从而改变了内能。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧§6-2 热力学第一定律一、热力学第一定律一般情况下，当系统状态发生变化时，作功和传热往往是同时存在的。
设有一系统，外界对它传热为Q ，使系统内能由21E E →，同时。
系统对外界又作功为W ，那么用数学式表示上述过程，有：上式即为热力学第一定律的数学表达式，它表明：系统吸收的热量，一部分用来增加内能，一部分用来对外作功。
对微小过程： dW dE dQ += (6-2) 说明：⑴热力学第一定律就是能量转化与守恒定律，它是自然界中的一个普遍规律。
它也可表述为“第一种永动机是不可能制造成功的。
”⑵系统状态变化过程中，功与热之间的转换不可能是直接的，总是通过物质系统来完成。
热力学基础知识
第六章 热力学基础
2. 定压摩尔热容
(d Q) P CP M dT M mol
3. 理想气体的 CV 以及 CP 与 CV 的关系
对于理想气体，其内能为
E M i RT M mol 2
所以
(d Q)V dE i CV R M M dT dT 2 M mol M mol
第六章 热力学基础
一. 热容
很多情况下，系统与外界之间的热传递会引起系统本身温 度变化。温度的变化与所传递的热量的关系用热容量来表示。 热容量：在一定的过程中，系统温度升高一度所吸收的热量 称为该物体在给定过程中的热容量。
c dQ dT
比热：
当系统的质量为单位质量时，其热容量称为比热， 用小写 c 表示，单位 Jkg-1k-1。 摩尔热容：当系统的质量为 1 摩尔时，其热容量称为摩尔热容， 用大写 C 表示，单位 Jmol-1k-1。
吸热：
多方过程的摩尔热容：
Cn
Q E A
(d Q) n d E P dV P dV CV M M M dT dT dT M mol M mol M mol
多方过程方程两边求导，可得
nP dV V dP 0
P dV V dP M R dT M mol
气态方程两边求导，可得
等压过程 等温过程 绝热过程 等体过程
(P1/nV = 常数)
第六章 热力学基础
例. P216 例题 6-2
解：从状态 1 绝热膨胀到状态 2，根据绝热过程方程，有
T1 V1 1 T2 V2 1
可得
V1 1 T2 T1 ( ) V2
绝热过程 Q=0，由热一定律
M M 5 V1 1 A E CV (T1 T2 ) RT1 (1 1 ) 941 J M mol M mol 2 V2
热力学基础中的热力学过程与热力学微分的计算
热力学基础中的热力学过程与热力学微分的计算热力学是研究物质能量转化与传递规律的学科。
在热力学的研究中，热力学过程是一个重要的概念，而热力学微分则是计算热力学参数变化的数学工具。
本文将针对热力学基础中的热力学过程与热力学微分的计算进行探讨。
一、热力学过程热力学过程是指在一定条件下，物质所经历的能量变化过程。
根据能量变化情况和热力学定律，可以将热力学过程分为四类：等容过程、等压过程、等温过程和绝热过程。
1. 等容过程等容过程又称为等体过程，在这个过程中，系统保持体积不变，所以对外界做功为零。
根据热力学第一定律，系统的内能变化仅与吸热量有关，可以表示为ΔU = Q。
2. 等压过程等压过程也称为等压变化过程，系统保持压强不变。
在这个过程中，热量既可以通过热传导也可以通过物体表面的吸热或放热进行传递。
根据热力学第一定律，系统的内能变化与吸热量和对外界所做的功有关，可以表示为ΔU = Q - PΔV。
3. 等温过程等温过程指的是系统在恒定温度下发生的过程。
在等温过程中，系统与外界交换热量，使得系统的温度保持不变。
根据热力学第一定律，系统的内能变化与吸热量和做功量有关，可以表示为ΔU = Q - W。
4. 绝热过程绝热过程是指系统与外界之间没有热量交换的过程，也就是在外界做功过程中没有能量流入或流出。
根据热力学第一定律，绝热过程中系统内能的变化完全由对外界所做的功决定，可以表示为ΔU = -W。
二、热力学微分的计算热力学微分是热力学变量的微小变化所引起的内能变化。
根据热力学基本方程，可以推导出各个热力学参量之间的微分表达式。
常见的热力学微分公式如下：1. 内能微分根据热力学基本方程dU = TdS - PdV，可以计算内能的微分，其中T为温度，S为熵，P为压强，V为体积。
2. 熵微分根据热力学基本方程dS = (1/T)dU + (P/T)dV，可以计算熵的微分。
3. 压强微分根据热力学基本方程dP = (TdS/dV) ，可以计算压强的微分。
热学基础知识资料
V2
举例：几种特殊热力学过程的功的计算
p
1
A
V2
V1
pdV
2
等容过程：
A等容 = 0
等压过程： A等压 = p(V2-V1)
0
3
V
理想气体等温过程：
A等温 pdV V
1
V3
V3
RT
V1
V3 dV RT ln V1 V
pV RT
四. 热量
系统和外界温度不同，就会传热，或称能量交换， 热量传递 也可以改变系统的状态。 传热过程中所传递的能量的多少叫热量，以Q(或 Q )表示， 热量传递的方向用Q的符号表示。 > 0 表示系统从外界吸热； < 0 表示系统向外界放热。
n个方程相加得：
( p1 p2 pn )V (v1 v2 vn ) RT
道尔顿分压定理
n n
令
p pi v vi
1 1
pV vRT
形式不变
§6.3 热力学第一定律
一. 准静态过程 一个热力学系统处于平衡态(即静态)，可用状态参 量P、T、V来定量地加以描述。 当系统的状态随时间变化时，我们就说系统在经历一 个热力学过程，简称过程。 u 例：推进活塞压缩汽缸内的气体时， 气体的体积、密度、温度、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。因而，原则上讲，任意时刻，系统作为一个整体， 无法用统一的状态参量来描述其状态. 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。
§6.1 热学基础知识概述 热学：包括热力学（宏观）和统计物理（微观） 一. 热现象
热力学基础
第一章热力学基础目的要求：1. 理解热力学的一些基本概念：系统与环境、状态与状态函数、热和功、各种热力学过程。
2. 明确热力学能和焓的定义及状态函数的特征，理解热力学能变与恒容热，焓变与恒压热之间的关系。
3. 理解热力学第一定律的文字表述，掌握热力学第一定律的数学表达式及其应用。
4. 理解可逆过程及其特征。
5. 明确过程量热和功的正、负，理解体积功、热容、显热、潜热、化学反应热、摩尔相变焓、标准摩尔反应焓、标准摩尔生成焓、标准摩尔燃烧焓等概念。
6. 能熟练地运用热力学第一定律计算系统在理想气体的纯P V T变化、在相变化及化学变化中的应用（计算功、热、热力学能变、焓变）。
7. 能熟练地应用标准摩尔生成焓、标准摩尔燃烧焓求标准摩尔反应焓，能用基尔霍夫公式计算不同温度下化学反应的焓变。
8. 了解自发过程的共同特征。
理解热力学第二定律的文字表达。
9. 了解熵判据的表达式和熵增原理，较熟练地计算单纯P、V、T变化过程、相变和化学反应的熵变。
10. 理解规定摩尔熵、标准摩尔熵，理解标准摩尔反应熵的定义及掌握化学反应熵差的计算。
11. 理解熵的物理意义，了解热力学第三定律、卡诺循环、卡诺定理。
12. 明确亥姆霍兹函数、吉布斯函数的概念，较熟练地计算各种恒温过程的△ G13. 明确熵判据、亥姆霍兹函数判据、吉布斯函数判据应用条件，会用熵判据、吉布斯函数判据判断过程的方向和限度。
14. 了解热力学基本方程及一些重要关系式。
教学重点难点：1. 基本概念：系统与环境、状态与状态函数、热和功、各种热力学过程2 •热力学的状态函数：热力学能、焓、熵、亥姆霍兹函数、吉布斯函数过程量：热和功3 •基本定律：热力学第一定律、热力学第二定律、热力学第三定律4 •热力学第一定律对理想气体的状态变化过程、相变过程及化学变化过程的应用（计算Q W △ U>A H）o5 •热力学判据：熵判据、亥姆霍兹函数判据、吉布斯函数判据的具体应用（计算A S A G A F）o教学难点：1 •状态与状态函数2•热力学第一定律、热力学第二定律3•熵判据、亥姆霍兹函数判据、吉布斯函数判据教学内容:第一章热力学基础热力学的研究对象及方法热力学是研究能量相互转化过程中所遵循的规律及各种因素对能量转化的影响的科学。
热力学基础知识
热力学基础知识热力学是物理学的一个分支，研究热现象和热能转化的规律。
在我们生活中，也可以看到许多与热力学有关的现象，比如汽车引擎的工作、空调的制冷、发热体的加热等等。
在接下来的文章中，我们将深入了解一些热力学的基本概念和原理。
一、热力学的基本概念1. 温度和热量温度是描述物体热度的物理量，单位是摄氏度（℃）、开尔文（K）、华氏度（℉）等。
热量是指热能的转移量，单位是焦耳（J）、卡路里（cal）等。
两者的联系可以用下面的公式表示：Q=m×c×ΔT其中，Q表示热量，m表示物体质量，c表示物体的热容量，ΔT表示物体温度变化量。
此外，还有一个重要的物理量叫做热力学摩尔容量，指的是单位量物质在温度变化1K时所吸收的热量，单位是焦/摩尔-开尔文（J/mol-K）。
2. 热力学第一定律热力学第一定律也叫做能量守恒定律，指的是能量不能被创造或毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式，并且总能量守恒。
从热观点来看，热量也是一种能量，因此热能也具有守恒性质。
3. 热力学第二定律热力学第二定律是一个非常重要的定律，它规定了热能转化的方向性，即热量只能从高温物体流向低温物体，不可能反向。
这个定律也成为热力学的增熵定律，指的是一个孤立系统的熵（混乱度）只可能增加，而不可能减小。
二、热力学的应用1. 热力学循环热力学循环是指通过对气体或液体的加热或冷却来产生机械功或者热量，再将剩余的热量排放到外界，从而实现能量转化的过程。
熟悉汽车工作原理的人应该都知道，汽车引擎就是一种热力学循环系统，通过燃烧汽油来加热气体，从而产生机械功驱动车轮，同时排放废气。
2. 热力学平衡当物体的温度相同时，此时物体达到了热力学平衡，它们之间的热量不再交换。
但是，这并不意味着温度相同的两个物体一定热力学平衡。
比如，在室内放着一瓶冰水和一只热汤的碗，虽然它们的温度都是20℃，但是它们内部的热量分布不同，因此不能说它们处于热力学平衡状态。
热力学基础
热力学基础
例题： 不规则地搅拌盛于绝热容器中的液体，液体温度在 升高，若将液体看作系统，则： (1) 外界传给系统的热量_________零； (2) 外界对系统作的功__________零； (3) 系统的内能的增量___________零； （填大于、等于、小于）
热力学基础
14/65
热力学基础 21/65
A 0, QV E
意义：等容过程系统吸热全部转变成内能。
i 等容摩尔热容： CV R 2 3 单原子分子气体 i 3 , CV R 2 5 双原子分子气体 i 5 , CV R 2 多原子分子气体 i 6 , CV 3R
i CV T RT 2
整个过程气体作功为：
P 1
P
A dA PdV
a V1
b
V2
2
功的大小等于过程曲线下的面 V2 积： o A
S PdV
V1
V1 dV
V2
8/65
V
热力学基础
功的大小不仅取决于系 统的始末状态，且与系统 经历的过程有关。
P
1
1'
2
功是过程量，规定系统 对外作功为正 等容过程：A等容=0
C M mol c
dQ 摩尔热容可表示成： C dT
•等容摩尔热容CV，表示在等容过程中，1 mol 气体升 高单位温度所吸收的热量。
dQ CV dT V dQ CP dT P
规定：
QV CV (T2 T1 )
•等压摩尔热容CP，表示在等压过程中，1 mol 气体 升高单位温度所吸收的热量。
QT A
意义：等温过程系统吸热全部用来对外作功。
大气物理学(复习版)
大气物理学（大三）第六章 大气热力学基础一、热力学基本规律1、空气状态的变化和大气中所进行的各种热力过程都遵循热力学的一般规律，所以热力学方法及结果被广泛地用来研究大气，称为大气热力学。
2、开放系和封闭系(1) 开放系：一个与外界交换质量的系统(2) 封闭系：和外界互不交换质量的系统(3) 独立系：与外界隔绝的系统，即不交换质量也不交换能量的系统。
3、准静态过程和准静力条件(1)准静态过程: 系统在变态过程中的每一步都处于平衡状态(2) 准静力条件：P ≡Pe 系统内部压强p 全等于外界压强Pe4、气块（微团）模型气块（微团）模型是指宏观上足够小而微观上含有大量分子的空气团，其内部可包含水汽、液态水或固态水。
气块（微团）模型就是从大气中取一体微小的空气块，作为对实际空气块的近似。
5、气象上常用的热力学第一定律形式【比定压热容cp 和比定容热容cv 的关系cp= cv+R ，（R 比气体常数）】6、热力学第二定律讨论的是过程的自然方向和热力平衡的简明判据，它是通过态函数来完成的。
7、理解熵、焓（从平衡态x0开始而终止于另一个平衡态x 的过程，将朝着使系统与外界的总熵增加的方向进行；等焓过程: 绝热和等压；物理意义：在等压过程中,系统焓的增加值等于它所吸收的热量）8、大气能量的基本形式：（1）内能；（2）势能；（3）动能；（4）潜热能9、大气能量的组合形式（1）显热能：单位质量空气的显热能就是比焓。
（2）温湿能：单位质量空气的温湿能是显热能和潜热能之和。
（3）静力能: 对单位质量的干（湿）空气，干（湿）静力能：（4）全势能: 势能和内能之和称全势能10、大气总能量干空气的总能量: 湿空气的总能量: 二、大气中的干绝热过程1、系统（如一气块）与外界无热量交换（δQ=0)的过程，称为绝热过程。
286.0000)()(p p p p T T d ==κ（对未饱和湿空气κ= κd=R/Cp=0.286计算大气的干绝热过程） 例：如干空气的初态为p=1000hpa ,T0=300K ，当它绝热膨胀，气压分别降到900hpa 和800hpa 时温度分别为多少？2、干绝热减温率定义：未饱和湿空气块温度随高度的变化率的负值为干绝热减温率γv ，单位°/100mdp ρ1-dT c =αdp -dT c =δQ p p 2p k d V 21+gz +T c =E +Φ+U =E Lq +V 21+gz +T c =Lq +E +Φ+U =E 2p k m m C m k km K c g o pdd 100/1100/98.0/8.9≈===γ3、位温θ定义: 把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气压（常取1000hpa ）时应有的温度称位温。
大学基础化学课件工科06化学热力学基础
fH m / kJ mol
1
H2O (l) -285.8
NaOH (s) -425.6
O2 (g) 0
-510.9
[ 4 (NaOH ,s ) 0 ( O ,g )] rH m fH m fH m 2 [ 2 (Na O ,s ) 2 ( H O ,l)] fH m 2 2 fH m 2 [ 4 ( 425 . 6 ) 0 ] [ 2 ( 510 .9 ) 2 ( 285 .8 )]
24
QV与Qp的关系
• 对于无气体参加的化学反应 W = – p外 V 0 QV = Qp
• 有气体参加的化学反应 QV = Qp – p外 V = Qp - n(g) RT Qp
25
2. 焓 (H) 和焓变 (H)
封闭系统的等压过程：
U = Qp – p 外 V
U2 – U1 = Qp – p外 (V2 – V1) U2 – U1 = Qp – (p2V2 – p1V1) Qp = (U2 + p2V2) – (U1 + p1V1)
1 H 1530 kJ mol r m
(90kJ· mol-1)
34
5. 热化学方程式
表示化学反应及其反应热关系的化学方程式
2H (g) O (g) 2H O(l) 2 2 2
1
Δ H (298.15K) 571.66 kJ mo r m
热化学方程式的书写：
广度性质：与物质的量有关，具有加和性
如：V、n、U、H、S、G 等 强度性质：与物质的量无关，不具有加和性 如：T、p、c、Vm、E等
强度=广度/广度
20
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V
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§2 功 热量 热力学第一定律
改变系统状态的方法：1.作功
2.传热
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一、功（过程量）
宏观运动能量
热运动能量
功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动状态的变化。 11、准静态过程体积功的计算 dA = Fdl = pSdl = pdV 系统体积由V1变为V2，系 统对外界作总功为： 外界对系统作功 - dA = - pext Sdl = - pext dV - dA = - pdV
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②当气体被压缩(即V2＜V1)时，A和Q均取负值，外界对气体所 作的功，全部以热量形式由气体传递给恒温热库。 p 恒 1 P1, V1, T p 等 1 温Q 热 T 温 P2, V2, T 库 压 p -A = - Q 2 缩 2 E A QT V1 V2 V O 二、理想气体的绝热（dQ = 0）过程 系统不与外界交换热量的过程。 气体 真空 实际中，状态变化过程中虽有 能量传递，但可忽略不计的过 程近似为绝热过程。 气体 ①绝热材料 ②过程快速进行(如气体自由膨胀)
I B
V
O V AAIB + QAIB = AAIIB + QAIIB
AAIBIIA = QAIBIIA
△EAIB = △EAIIB = Constant
△EAIBIIA = 0
理想气体内能：表征系统状态的单值函数 ,理想气体的 内能仅是温度的函数。 i E = nRT = E(T) 2 系统内能的增量只与系统起始和终了状态有关，与系统 所经历的过程无关。
矛盾
统一于“无限缓慢”
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u
例如：外界对系统做功过程无限缓 慢，非平衡态到平衡态的过渡时间 约10 -3 秒，如果实际压缩一次所用 时间为 1 秒，就可以说是准静态过 程。
外界压强总比系统压强大一小量△p ， 就可以缓慢压缩。 准静态过程可以用系统的状态图如p-V图（或p-T图，V-T图） 中一条曲线表示，反之亦如此。 p I（p1,V1,T1）等温过程 P-V图上，一点代表一个平衡 等压过程 态，一条连续曲线代表一个准 等体过程 静态过程。 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。 O
(dQ)p = dE + pdV —热力学第一定律 21、定压摩尔热容 p dV 1 dQ 1 dE Cp,m = n ( )p = + ( )p n dT n dT dT i E= nRT and pV = nRT 2 i Cp,m = 2 R + R 22、等压过程 Qp = E2 –E1 +
p p p, V1, T1
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四、热力学第一定律(The first law of thermodynamics)
41、数学形式 Q = ( E2 – E1 ) + A
系统从外界吸热 = 内能增量 + 系统对外界做功
Q > 0，系统吸收热量；Q < 0，系统放出热量； A > 0，系统对外作正功；A < 0，系统对外作负功；
§1 准静态过程（quasi-static process）
热力学系统从一个状态变化到另一个状态 , 称为热力学过程（简称“过程”）。 过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态。 始平衡态 一系列非 平衡态
末平衡态
热力学中，为能利用平衡态的性质，引入 准静态过程的概念。
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功与热量的异同
1、都是过程量：与过程有关； 2、等效性：改变系统热运动状态作用相同； 1 Calorie = 4.18 J，1 J = 0.24 Calorie 3、功与热量的物理本质不同。 功 宏 观 运 动（能量） 分子热运动（能量） 功
与宏观位移相联系通过非保守力做功实现
二、热量（过程量）：系统之间或系统与外界之间由于热相互作 用（或由于温度差），而传递的能量。 T1 T2 Q
T1 < T2
说明：①在系统与外界之间发生能量传递时，无论系统的温 度是否发生变化，都是热量的传递过程。 ②热量传递的多少与其传递的方式有关，所以，热量 与功一样都是与热力学过程有关的量，也是一个过 程量。 ③传递热量和作功是能量传递的两种方式，其量值可 以作为内能变化的量度。就内能的变化来说，外界 对系统作功和传递热量是等效的。
V1
pdV
第一类永动机：系统不断经历状态变化后回到初态，既不消耗
系统的内能，又不需要外界向它传递热量，
即不消耗任何能量而能不断地对外作功。 即：△E = 0, Q = 0, A > 0 违反热力学气体在保持温度T不变的情况下，体积从 V1经过准静态过程变化到 V2。求在这一过程中气体对 外所做的功和它从外界吸收的热量。 解： A =
1
p, V2, T2
2
-A O V1 V1
等 压 膨 压 胀 缩 V
E1 2↑
Qp
E2 1 A
V 2
V1
pdV = (E2 – E1) + p(V2 –V1)
表明：在等压膨胀过程中，理想气体吸收的热量 一部分用来增加气体的内能，另一部分使气体对外作功。
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三、理想气体等体过程（V = Const.） 定体摩尔热容
1
V
O
p 等 p2 体 压 缩p 1
V
2
P2, V, T2 P1, V, T1
Qp
E1
E2↑
1
V
Qp
E2
E1↓
O
V
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§4 绝热过程 (Adiabatic Process)
一、理想气体的等温（T = Const.）过程 理想气体的等温过程在p-V图上的过程曲线，是一条双曲线， p 该线也称等温线。 1 P1, V1, T p 过程方程：pV = Constant。 等 1 温 (dQ)T = dE 0 + pdV = dA P2, V2, T 膨 p2 —热力学第一定律 2 胀 A= Q V1 dV O 上式表明在理想气体的等温过程中： ①当气体膨胀(即V2＞V1)时，A和Q 恒 温Q 均取正值，气体从恒温热库吸收 热 T 库 的热量全部用于对外作功。 QT E A V2 V
A = dA = V pdV
1
V2
- A = - pdV
V2
- A = - dA = - V1 p ext dV
V2
V1
准静态过程
pext = p
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dV > 0, dA> 0, 系统对外作正功； dV < 0,dA < 0, 系统对外作负功； dV = 0,dA = 0, 系统不作功。
12、体积功的几何意义 p I p1 b a p II p2
A = dA = V pdV
1
V2
由积分意义可知，功的大小等于p-V
图上过程曲线p(V)下的面积。
O V1 V V+dV V2 比较 a , b过程可知，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。
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21、绝热过程方程的推导
(dQ) 0 A = dE + pdV
i E= nRT 2
CV,m CV,m —热力学第一定律
g =
Cp,m
=
CV,m + R
～热容比
1 dE i 1 dQ CV,m = ( ) = = R n dT V n dT 2 pdV = - dE = - i nRdT = - nCV,mdT 2 绝热过程中系统对外做功全部是以系统内能减少为代价的。
E > 0，系统内能增加；E < 0，系统内能减少。
微小过程： dQ = dE + dA
准静态过程: dQ = dE + pdV
Q =△E +
V2
42、物理意义 涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律。 43、热力学第一定律的另一表述 第一类永动机是不可能制成的。
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等体过程在p-V图上是一条平行于p轴的直线，即等体线。 -1 = Constant。 p 过程方程： pT 2 P2, V, T2 等 p2 (dQ)V = dE + pdV 0 体 —热力学第一定律 升 压p 31、定体摩尔热容 P1, V, T1 1 1 1 dE 1 dQ CV,m = ( )V = O V V n dT n dT i i i E= nRT CV,m = R Cp,m = 2 R + R 2 2 Cp,m i +2 = ～热容比 Cp,m - CV,m = R ～迈耶公式 g = CV,m i 表明：在等压过程中，1mol 理想气体，温度升高 1K时，要比 其等体过程多吸收8.31J的热量，用于对外作功。
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32、等体过程 p 等 p2 体 升 压p 1
2
(dQ)V = dE + pdV 0 —热力学第一定律 P2, V, T2 P1, V, T1 i nR(T – T ) QV =△E =E2 – E1 = 2 1 2 上式表明： 在等体升压过程中，气体吸收 的热量全部用来增加气体的内能。
第6章 热力学基础
热力学第一定律
§1 准静态过程 §2 功 热量 热力学第一定律 §3 热容 §1 §4 绝热过程 §2 §5 循环过程 §3 §6 致冷循环 §4 §7 卡诺循环