材料热力学与动力学

《材料热力学与动力学》读书报告

一、概述

1、体系与环境

体系是所研究的对象的总和，或者把所要研究的那部分真实世界的各物体想象的从其周围划分出来作为研究对象。而环境是指与所研究对象（体系）有联系、有影响的部分，或指体系以外与之联系的真实世界。体系与环境是相互依存和相互制约的一对，对于不同的研究内容，体系与环境也不同，如何划分体系与环境，完全根据所研究问题的性质来决定。

热力学体系与环境之间的相互联系是指它们之间所发生的物质交换和能量交换，而能量交换的形式有传热和做功。根据体系与环境之间相互联系的不同，可以将体系分为三类：（1）开放体系：又称敞开体系，体系与环境之间，既有物质交换，又有能量交换；

（2）封闭体系：体系与环境之间，只有能量交换，没有物质交换；

（3）孤立体系：又称隔离体系，体系与环境之间，既没物质交换，也没有能量交换。

2、体系的性质

根据体系的性质与体系中物质数量的关系，可将其分为两类：

（1）容量性质：又称广延性质或广延量，其数值与体系中物质的数量有关，整个体系的某个容量性质的数值，为体系中各部分该性质数值的总和，即具有加和性。如体积、质量、内能、热容、熵等。

（2）强度性质：又称内禀性性质或强度量，其数值与体系中物质的数量无关，没有加和性。如温度、压力、密度等。

容量性质与强度性质虽有上述区别，但是容量性质有时也可以转化为强度性质，即容量性质除以总质量或总物质的量就成为强度性质。如体积为容量性质，而摩尔体积为强度性质，热容为容量性质，而摩尔热容则为强度性质。

3、状态与状态函数

热力学用体系所具有的宏观性质来描述其状态。当体系的一系列性质，如质量、温度、压力、体积、组成以及焦聚状态等全部确定以后，这个体系就具有了一个确定的状态。反之，体系状态确定后，其所具有的宏观性质均有确定值，与到达该状态前经历无关。由于状态与性质之间的单值对应体系，体系的这些热力学性质又称做状态函数。状态函数只与体系的始态与终态有关，与变化的具体历程无关。由于体系的状态都是利用体系的宏观物理性质来描述的，所以又称为体系的宏观状态。其中体系的任一性质发生了变化均意味着体系状态的变化。因此这些性质又称为体系的状态变数。

由于体系各性质之间彼此相互联系、相互制约，只有部分性质是独立的，在某一状态下，其他的性质可以表示成各独立性质的函数，即存在相当于数学上的自变量与因变量的关系，因此称这些可以用独立性质通过函数关系表示出来的体系性质为状态函数。也就是说，状态函数是一些具有相对独立性的性质函数的体系性质。

4、过程与途径

体系从始态向终态过渡称为过程，或者说体系体系发生的任何变化为过程。完成过程的具体历程（步骤）称为途径。

途径可由若干过程组合而成。由一定始态到达一定终态的过程，可以经过不同的途径，但是状态函数的改变值是相同的。因为状态一定时，状态函数只有一个确定的数值，状态函数的改变不随具体途径不同而变化。

二、材料热力学基础知识

1、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“自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，能从一种形式转化

为另一种形式，在转换中，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，

体系状态的变化完全是由于体系对环境做功，或者是环境对体系做功所引起的。

从1840年开始，在长达二十多年的期间内，焦耳做了一系列实验，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，其温度的升高完全是电源做功的结果。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：

无论以任何一种方式使一个绝热体系自一定的始态变到一定的终态，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（做功方式）无关。”这说法可算

是第一定律的一种特殊形式。

状态函数的改变只为体系始终态所决定，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做的功W 定义一个状态函数U 。在

终态B 与始态A 之差

W U U U A B =∆=- （1-13）

称状态函数U 为内能。

外界对体系做功，W 为正，体系内能增加；体系对环境做功，W 为负，体系内能减小。

不做功的绝热体系为孤立系统，由式 （1-13）得孤立体系中所进行的任何过程，U ∆0=，

即“孤立体系内能不变”，这也是第一定律的一种表述，孤立体系中内能是守恒的。

经验表明，在不做功的情况下，当体系与温度不同的另一物体相接触时，体系的状态亦

会发生变化，其内能自然也会变化。“在不做功的情况下，封闭系统内能的改变称之为热”，

这可作为热的定义。

A B U U U Q W -=∆==,0 (1-14)

热是不同于功的体系与环境交换能量的另一种形式。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，必有另一物体放热，反之亦然。

过程中，体系既吸热Q ，环境对体系又做功W 。那么体系内能之改变为

W Q U +=∆ (1-15)

对微小变化过程，写成

dW dQ dU += (1-16)

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

体系所做的功。”

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，

内能的改变就是确定值，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

及分子与分子之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，在外立场