热力学基础
热力学基础
绝 热 壁
Q T 恒温热源
Q 1 dQ
2
积分与过程有关
功与热量的异同
热量是过程量
(1)都是过程量：与过程有关； (2)等效性：都会使系统能量发生变化， (3)功与热量的物理本质不同 .
二、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，
Q E2 E1 A
P
1(P1 ,V1 ,T1)
绝 热 等温
dP P )T 等温曲线的斜率：( dV V dP P 绝热曲线的斜率： ( )Q dV V ＞1
2(P2 ,V2 ,T2)
O
V1
V
物理原因：
这表明：从同一状态出发，膨胀同一体积， 绝热过程比等温过程的压强下降得更多一些。 P 绝热曲线
Cm dT
定容摩尔热容CV,m 1mol气体，保持体积不变，吸(或放)热dQV，温度升 高(或降低)dT，则定容(定体)摩尔热容为 dQV CV , m M dT 1 M i i 热一： dQV 2 RdT pdV RdT 2 i CV , m R 2
CV , m
S
说明
O (1) 准静态过程是一个理想过程； (2) 除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，大多数情 况下都可以把实际过程看成是准静态过程； (3) 准静态过程在状态图上可用一条曲线表示, 如图.
V
内能: 物体分子无规则运动的总和
M i RT 理想气体的内能 E 2
理想气体的内能是温度的单值函数。 内能是状态函数(state-dependent quantity)
2. 热力学平衡状态 （equilibrium state of thermodynamics)
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
§7.1 §7.2 §7.3 §7.4 §7.5 §7.6 §7.7 §7.8
热力学基础
内能 功和热量 准静态过程 热力学第一定律 气体的摩尔热容量 绝热过程 循环过程 卡诺循环 热力学第二定律 热力学第二定律的统计意义 玻尔兹曼熵 卡诺定理 克劳修斯熵
§7.1 热力学的一些基本概念
一、内能 功和热量 1.态函数
每一时刻系统都无限接近于平衡态的过程。
由一系列依次接替的平衡态组成。 对 “无限缓慢” 的实际过程的近似描述。
无限缓慢： 微小变化时间 >> 驰豫时间 弛豫时间：系统由非平衡态趋于平衡态所需时间
§ 7.2 热力学第一定律
一、热力学第一定律
1.
数学表式
Q E A
对微小变化过程
பைடு நூலகம்d Q dE d A
RT
RT ln V2
V2
V1
等温
RT ln
p1
p2
RT ln
p1
0
p2
绝热
PV = 常量 dQ g-1 V T = 常量 0 g-1 - g = P T 常量
g
cV T
0
p2V2 p1V1 cV T 1
§7.5 循环过程 卡诺循环
一、 循环过程
系统的工作物质，经一系列变化过程又回到了初始状态，如果 每一段过程都是平衡过程，表现在 P—V 图上就是： P a P P a
Q
Q
A
Q
E
热量从高温物体传到低温物 体的过程是不可逆的！
（3）气体的自由膨胀过程
气体不须任何外界的帮助即从左室扩散到 整个容器，是否也可以不须外界任何帮助就回到左室 呢？ 不行！
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。
第十一章 热力学基础
3
m i E= RT M 2
i=3
m PV = RT M
的过程中内能的变化： 由a—b—c—d的过程中内能的变化： 的过程中内能的变化
m i i ∆E = Ed − Ea = R(Td − Ta ) = ( PdVd − PaVa ) M 2 2 3 5 −3 5 −3 = (1.013 × 10 × 3 × 10 − 3 × 1.013 ×10 × 1× 10 ) = 0 2
Mi E(T) = RT µ2
5 5 o o E = R(T2 −T ) = ×8.31×(127 c − 27 c) 1 2 2 = 2077.5(J )
如图： 如图：温度都由 T1— T2 状态发生了相同的变化。 状态发生了相同的变化。
等效 传热——作功
加热
搅拌作功
三、热量 热与功的等效性 热量：系统与外界之间由于存在温度差而传递的能量。 热量：系统与外界之间由于存在温度差而传递的能量。 （在没有作功的传热过程中它是系统内能变化的量度） 在没有作功的传热过程中它是系统内能变化的量度） Q = ∆E = E2 - E1
d (QP ) = dW = PdV
理想气体物态方程
m PV = RT M
m dV ⇒ dW = PdV = RT M V V2 m V2 dV m = QT = WT = ∫ RT RT ln V1 M V M V1
又因
PV1 = PV 1 2
P m 1 ⇒ QT = WT = RT ln M P2
内能的变化只与始末温度有关，与过程无关. 内能的变化只与始末温度有关，与过程无关.
m i i E (T ) = RT = PV M 2 2
第三章 热力学基础
（1）对等温过程，氢气 由1到2’态时环境对系统 所做的功为：
M V2' A' RT ln u V1 5 8.31 293 ln 0.1 2.80 104 J
26
M A CV (T2 T1 ) u 5 5 8.31 (736 293) 2 4 4.60 10 J
i C Pm R R CVm R C Pm CVm R 2
18
由 QV (E )V 及 QP (E ) P A P
当 ( E )V ( E )P , 有 QP QV 所以 C Pm CVm .
P
T2 T1
i 0 1 R C Pm 2 1 2 i CVm i R 2 单原子分子气体： i 3
(3) c→a ,等容升温过程
( )
o
V1
V2
V
A ca
M 0 , Qca Eca CVm T1 T2 7.79 103 J u
( )
Eabca Eab Ebc Eca Ebc Eca 0 Eca Ebc 7.79 10 J
比较 （1）（2）结果得 CVm
i R 2
二、等压过程
V V1 V2 1.过程方程 C或 T T1 T2
P 1
0
2.特点
2
V2 V
17
dP 0 , A PdV P (V2 V1 )
V1 3.应用 M i dE RdT u 2
V2
V1
M i E R(T2 T1 ) u 2
dV=0，dA=PdV=0，或 A=0 。 3. 应用
1
0
热力学基础知识点总结
热力学基础知识点总结
热力学是研究能量转化与传递规律的科学，主要包括以下基础知识点：
1. 系统与环境：热力学研究的对象是一个被称为系统的物体、组织或区域，而系统与其周围的一切被称为环境。
2. 状态量与过程量：状态量是描述系统状态的量，如温度、压力、体积等，它们只依赖于系统的初始和最终状态；而过程量是描述系统变化过程中的性质，如热量、功等。
3. 热平衡与温度：当两个物体处于热平衡时，它们之间不存在热量的净传递，此时它们的温度相等。
4. 热传递与热传导：热传递是指热量从高温物体流向低温物体的过程，可以通过热传导、辐射和对流等方式实现。
热传导是通过物质分子间的碰撞传递热量的过程。
5. 热容与比热容：热容是指物体吸收或释放单位温度变化所需的热量，而比热容是单位质量物质所需的热量。
6. 理想气体状态方程：理想气体状态方程描述了理想气体的压力、体积和温度之间的关系，常用的方程有理想气体状态方程
（PV=nRT）和绝热过程公式（PV^γ=常数）。
7. 熵与熵增：熵是描述系统无序度的物理量，熵增原理表明在孤立系统中，熵总是增加的。
8. 热力学第一定律：热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现，它表明能量可以从一个形式转化为另一个形式，但总能量守恒。
9. 热力学第二定律：热力学第二定律是描述热量传递方向性的原理，它指出热量只能从高温物体传递到低温物体，不会自发地从低温物体传递到高温物体。
10. 吉布斯自由能：吉布斯自由能是描述系统在恒温、恒压条件下的可用能量，通过最小化吉布斯自由能可以预测系统的平衡态。
这些是热力学基础知识点的概述，它们在热力学的研究和应用中扮演着重要的角色。
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；
热力学基础
AT
V2 M
V1
RT 1 dV V
M
RT ln V2 V1
M
RT ln
P1 P2
QT
AT
m M
RT ln V2 V1
m M
RT ln P1 P2
例题：温度为27℃，压强为1atm,质量为2.80×10 － 3 kg的 氮气，先在体积不变的条件下，使压强增至3atm;然后经 等温膨胀，使压强降到1atm；而后，又在1atm的等压条 件下使其体积压缩一半。试求：先画出P-V图；再求各分 过程吸收的热量、所作的功和内能的改变量。
A.孤立系统:系统和环境没有物质和能量的交换 B.封闭系统:系统和环境不交换物质,但交换能量 C.开放系统:系统和环境既交换物质又交换能量
3. 热力学状态:由状态参量所确定的系统的状况.
4. 平衡态 在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时 间内不发生变化的状态。
说明 (1) 不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传热的方
等压过程有
Mi
E E2 E1 2 R(T2 T1 )
AP P(V2 V1)
M
QP CP(T2 T1 )
气体的比热容比
CP CV R 1 2
CV
CV
i
①因CP恒大于CV，所以γ大于1
②双原子分子气体的比热容比为
1 2 1.40
5
气体摩尔热容、两种摩尔热容比、R的理论值表
CO 29.00 21 . 20
R=CP－CV
8.34
8.31 8.36
多
CO2 36.20 27.80
8.40
CP
CV
1.67 1.41 1.37
1.31
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
大学化学化学热力学基础
真实气体状态方程在科研和工程中的应用举例
石油工业
利用真实气体状态方程预测天然气在地下的分布和储量，指导油气 田的开发和生产。
化学工程
在化工过程中涉及气体的压缩、膨胀、冷却和加热等操作，需要利 用真实气体状态方程进行精确计算和控制。
航空航天工程
在飞机和火箭的发动机设计中，需要考虑高温高压下气体的性质和行 为，真实气体状态方程为相关计算提供了重要依据。
压条件。
混合气体中各组分性质变化规律探讨
道尔顿分压定律
混合气体的总压力等于各组分气 体分压之和，分压与各组分的摩 尔分数成正比。
阿马格分体积定律
混合气体的总体积等于各组分气 体分体积之和，分体积与各组分 的摩尔分数成正比。
亨利定律
在一定温度和平衡状态下，气体 在液体中的溶解度与液面上该气 体的平衡压力成正比。
04
相平衡与相图分析
相平衡条件及相律应用
相平衡条件
在恒温恒压下，当多相系统中各相的性质和数量均不随时间变化时，称系统处于相平衡状态。此时， 各相中的组元成分和物性均保持恒定，且各相间的宏观物质交换达到动态平衡。
相律应用
相律是描述相平衡系统中相数、组元数和自由度之间关系的定律。对于简单系统，相律可表示为F=CP+2，其中F为自由度，C为组元数，P为相数。利用相律可以判断系统可能存在的相数及自由度，进 而分析系统的相平衡状态。
大学化学化学热力学基础
目 录
• 热力学基本概念与定律 • 热力学在化学反应中的应用 • 热化学方程式及计算 • 相平衡与相图分析 • 化学平衡移动原理及影响因素探讨 • 非理想气体状态方程及混合气体性质研究
01
热力学基本概念与定律
热力学系统及其分类
热力学基础知识
二、压力 垂直作用在单位面积上的力称为压力，以符号P表示，这就 是物理学上所称的压强.按分子运动论的观点，压力是气体的 大量分子向容器壁面撞击所产生的平均结果。若气体作用在 器壁面积A上的垂直作用力为F，那么该壁上的压力为: P＝F/A 压力通常用各种压力计来测定。这些压力计的测量原理部是 建立在力的平衡的基础上。由于压力计本身处于大气压力Pb 作用下，因此压力计上测得的压力是工质的真实压力和大气 压力Pb的差值，是一个相对压力，称为表压力或工作压力， 用符号Pg表示，而工质的实际压力称绝对压力，用P表示。 P, Pg 和Pb之间的关系是： P＝Pb+Pg
热力学基础识
樟洋电厂 运行部
第一节
热力学定律
一、热力学第零定律 定义：与第三个系统处于热平衡的两个系统，彼此也处于 热平衡。 热力学第零定律是进行体系测量的基本依据。1）、 可以通过使两个体系相接触，并观察这两个体系的性质是 否发生变化而判断这两个体系是否已经达到平衡。2）、 当外界条件不发生变化时，已经达成热平衡状态的体系， 其内部的温度是均匀分布的，并具有确定不变的温度值。 3）、一切互为平衡的体系具有相同的温度，所以，一个 体系的温度可以通过另一个与之平衡的体系的温度来表达； 或者也可以通过第三个体系的温度来表达。
t，c
w0 q2 T2 1 1 q1 q1 T1
即：
q2 q1 T2 T1
对于任意的可逆循环， 如图所示循环1A2B1。假 如用一组可逆绝热线将它分 割成无数个微元循环，当绝 热线间隔极小时，例如绝热 线ad与 bc 间隔极小，ab 段温度差极小，接近于定温 过程，同理cd段也是定温 过程，那么微元循环abcda。 就是由两个可逆绝热过程与 两个可逆定温过程组成的微 小卡诺循环。
第一章 热力学基础
例： 一热力学系统在等温定容的条件下发生变 化时，放热15 kJ，同时做电功35 kJ，假 若系统在发生变化时，不做非体积功（其 它条件不变），计算系统能放出多少热。
例： 在101.3 kPa及298 K时，液态溴的气化热 为30.7 kJ/mol，计算该条件下1 mol溴完 全气化时系统热力学能的变化值。
p = ΣpB
如：组分气体B的物质的量为nB 混合气体的物质的量为n
混合气体的体积为V
则它们的压力： pB = nBRT/V p = nRT/V
将两式相除，得
pB nB p =n
nB nΒιβλιοθήκη 则pB =nB p n
为组分气体B的摩尔分数
同温同容，气态物质的分压与其物质的量成正比。
物质 氮气 氧气 氩气 二氧化碳 水
热(heat)：系统和环境之间因温度不同而传递 或交换的能量的形式。 用符号Q 表示。单位：J、kJ。
功(work) ：除了热之外其它传递或交换的能量 形式。 用符号W 表示。单位：J、kJ。
热的本质：系统与环境间因内部粒子无序运动 强度不同而造成的能量传递。
热的正负符号规定：以系统为中心，系统 吸热，Q 为正值，系统放热，Q 为负值。
热是途径函数，不是状态函数。 • 热不仅与始末态有关，还与过程经历的具
体途径有关。 • 微量热记作δQ，一定量的热记作Q，而不
是ΔQ。
功是系注统意与: 环功境和间热因都内不部是粒状子态有函序运数动。而交换 的其能数量值。与变化途径有关。都是过程的产物。
功的符号规定：以系统为中心，环境对系统做 功，W为正值；系统对环境做功，W为负值。
热力学基础
p1V1 p2V2 恒量 T1 T2
（质量不变）
p,V , T p0 ,V0 , T0 (标准状态)
标准状态：
p0 1.01325 10 Pa
5
m V0 Vmol M
其中：
T0 273.15 K
Vmol 22.4 10 m
3
3
m 为气体的总质量。
M 为气体的摩尔质量。
H m T
式中ｍ是磁化强度，Ｈ是磁场强度，ａ是与物质有关的 常数，式又称为居里（Curie）定律．
五、与物态方程有关的三个系数
定压膨胀系数
1 V ( )p V T
表示在压强不变的条件下，温度升高1K所引起的物体体积 的相对变化．
定容压强系数
1 p ( )V p T
１准静态过程和非静态过程 ２可逆过程和不可逆过程
1 准静态过程和非静态过程
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．
热力学基本概念
体系(System)与环境(Surroundings) 系统的状态(State)与状态函数(State Function) 系统的过程(Process)与途径(Path) 体系的性质(Property) 热力学平衡态(thermodynamic equilibrium state )
热力学系统的宏观状态是由一些独立的物理量 完全确定的． 可以用这些物理量的连续函数来描述系统的状 态，如简单系统的自由能F(T,V)，当系统的温 度T和体积V确定时，系统的状态就完全确定了.
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
4、热力学能
E1：系统初态能量； E2：系统末态能量； 系统初态能量； 系统末态能量； Q ：外界对系统传递的热量； 外界对系统传递的热量； W’：外界对系统所作的功，则有： ：外界对系统所作的功，则有：
Q +W' = E2 − E1
5、热力学第一定律
用W表示系统对外界所作的功，则有W= -W’, 表示系统对外界所作的功，则有 表示系统对外界所作的功 于是： 于是：
3、定压摩尔热容
1mol物质在压强不变的情况下，温度升高1K 物质在压强不变的情况下，温度升高 物质在压强不变的情况下 所吸收的热量称为定压摩尔热容 定压摩尔热容。 所吸收的热量称为定压摩尔热容。 对于等压过程，由理想气体状态方程： 对于等压过程，由理想气体状态方程：
M pV = RT µ
得：
M pdV = RdT =νRdT µ
dQ = dE + dW
12-2 热容量
1、热容、比热容、摩尔热容
物质温度升高1K吸收的热量称为该物质的热 物质温度升高 吸收的热量称为该物质的热 容量，简称热容 定义为： 热容。 容量，简称热容。定义为：
dQ C= dT
单位：J/K 单位：
单位质量的热容称为该物质的比热容。 单位质量的热容称为该物质的比热容。定义 比热容 为：
2+i > 0) (γ = i dp p =− 而等温过程的p-V曲线的斜率： k = 曲线的斜率： 而等温过程的 曲线的斜率 dV V dp p = −γ p-V曲线斜率： k = 曲线斜率： 曲线斜率 dV V
因此，绝热过程的p-V曲线的斜率比等温过程 因此，绝热过程的 曲线的斜率比等温过程 曲线的斜率更小、 的p-V曲线的斜率更小、曲线更陡峭。 曲线的斜率更小 曲线更陡峭。
热力学基础
汽液平衡，饱和压力、饱和温度
2、定压加热汽化过程
五种状态；
干度；
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
● 饱和状态 (Saturated state) 当汽化速度 = 液化速度时，宏观上气、液两相保持 一定的相对数量，系统处于动态平衡—饱和状态。
◇ 饱和温度，ts (Ts) —饱和状态的温度
◇ 饱和压力，ps— 饱和状态的压力
t=ts
t>ts
干度（dryness）
定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用x表示。
干度x＝
湿蒸汽中含干蒸汽的质量 湿蒸汽的总质量
x m汽 m汽 m液
饱和水
x＝0
湿饱和蒸汽 0<x<1
干饱和蒸汽 x＝1
● 湿度 y=1–x 表示湿蒸汽中饱和水的含量。
第五节 水蒸气
• 预热阶段：未饱和水区
• 气化阶段：饱和水区（湿蒸汽区）
• 准平衡过程 特点：自动恢复；实线示图；
• 可逆过程 特点：准平衡过程+ 无能量耗散； 实际过程均为不可逆过程；
★ 可逆过程熵的变化： 系统吸热 q 0, ds 0 熵增； 系统放热 q 0, ds 0 熵减； 绝热过程 q 0, ds 0 熵不变。
(可逆绝热过程）
可逆绝热过程又称等熵过程。
（表明与实际气体的区别）
（2) 状态方程式：
pv= RgT 2、理想气体的比热
定义：单位物量的工质，温度升高或降低一度所吸收 的热量。
c = (δq/dT)
注意：三种不同单位。
第三节 理想气体
3、定容比热、定压比热：
cv= (∂u/∂T)v = du/dT (理想气体)
热力学基础知识点总结
热力学基础知识点总结热力学是研究热现象中能量转化规律的科学，它为我们理解和分析许多自然现象和工程过程提供了重要的理论基础。
以下是对热力学基础知识点的总结。
一、热力学系统与状态热力学系统是我们研究的对象，可以是一个封闭的容器中的气体，也可以是整个地球的大气。
根据系统与外界的物质和能量交换情况，可分为孤立系统、封闭系统和开放系统。
系统的状态由一些宏观物理量来描述，比如压强、温度、体积等，这些被称为状态参量。
状态参量的数值确定，系统的状态就确定了。
二、热力学第一定律热力学第一定律其实就是能量守恒定律在热力学中的表现形式。
它指出，一个热力学系统从外界吸收的热量，等于系统内能的增加与系统对外做功之和。
数学表达式为：＄Q ＝＼Delta U ＋ W$ ，其中＄Q$ 表示系统从外界吸收的热量，＄＼Delta U$ 表示系统内能的增量，＄W$ 表示系统对外界所做的功。
如果系统从外界吸热，＄Q$ 为正值；系统向外界放热，＄Q$ 为负值。
系统对外做功，＄W$ 为正值；外界对系统做功，＄W$ 为负值。
例如，在一个热机的工作循环中，燃料燃烧产生的热量一部分转化为机械能对外做功，另一部分用来增加系统的内能。
三、热力学第二定律热力学第二定律有多种表述方式，常见的有克劳修斯表述和开尔文表述。
克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传向高温物体。
开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。
热力学第二定律揭示了热现象的方向性，也就是说，在自然条件下，热传递和热功转换过程都是不可逆的。
比如，冰箱能够将内部的热量传递到外部，但这需要消耗电能，并且这个过程不是自发进行的。
四、热力学温标热力学温标是一种与测温物质的性质无关的温标，单位是开尔文（K）。
热力学温度与摄氏温度的关系为：＄T ＝ t ＋ 27315$ ，其中＄T$ 是热力学温度，＄t$ 是摄氏温度。
绝对零度（0 K）是理论上能达到的最低温度，但实际上无法达到。
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P-V图
P
平衡态 一个点
准静态过程 一条曲线
O
V
等压过程 P一定
等容过程 V一定
P
等温过程 T一定
注意：非平衡态、非准静态过程 O
V
不能用P-V 图上的点、线表示 3
2.体积功
做功可以改变系统的状态
• 摩擦升温（机械功）、电加热（电功）
准静态过程气体对外界做功：
dA Fdl psdl
P
(1) 内能：只是温度的函数
求温度T4
p1 p2 T1 T2
T2 3T1 T3
1-2等容 V1=V2 2-3等温 T2=T3
V4 V3 T4 T3
3 T4 2 T1
3-4等压 P3=P4
E
CV (T4
T1 )
308.4(J ) 13
例 0.1mol的N2，经1-2-3-4过程 P 2
CV
1 dQ 1 dE
dT V dT
i
C R
V
2
(2)内能 dE CV dT
E E2 E1 CCV VTT1(2Td2T T1)
理想气体的内能只是温度的函数, 是一个态函数
(3)准静态等压过程: dQP (ddEEPdPVV)PP dH P
焓: H E PV
等压过程中,系统吸收的热量等于系统焓的增量
C ' dQ dT
摩尔热容量 C C ' 1 dQ
dT
每mol 物质
定压摩尔热容量
1 dQ
Cp
( dT
)p
定容摩尔热容量
1 dQ
CV
( dT )V
7
2.理想气体的摩尔热容量
(1) 准静态等容过程： dQ dE PdV dE
E i RT
2
等容过程中, 系统吸收的热量等于系统内能的增量
常温时，转动被激发，i =3+2=5；
高温时，振动也被激发，
9
二、化学反应热与焓
化学反应热：定压下外界给系统的热量等于反应中系统焓的增量 （反应焓）
Qp H H2 H1
H2是参加反应物质的焓， H1是生成物质的焓 反应热的性质：
焓是态函数
反应 热与反应途径无关
（1）在给定的反应中释放的热量等于在逆反应中吸收的热量 -----拉瓦锡和拉普拉斯
8
CP
1
dQ dT
P
1
dH dT
P
dH CPdT H H2 H1 CP (T2 T1)
CP
1
dH dT
P
1
d dT
(E RT) 1 dE R dT
迈耶公式
C C R
P
V
i
CP
( 2
1)R
比热容比
C P
1
R
2i
C V
C V
i
经典理论有缺陷，严格一点需量子理论来解释
低温时，只有平动，i =3；
A 823 374 449(J )
（3）吸热 Q E A 757(J )
14
四、理想气体的绝热过程
准静态绝热过程
P
绝热线
dQ 0 dE dA 0
A E CV (T2 T1 )
等温线
O
V
dQ dE dA CV dT PdV 0
PV RT PdV VdP RdT
dP dV 0
P 1
特 dA pdV
点 A p(V2 V1 ) R(T2 T1 ) O
E CV (T2 T1 ) 12 系统做正功 Q>0 Q C p (T2 T1 ) 21 系统做负功 Q<0
V 2 V
11
三、等温过程
P
T一定 P-V图上对应一曲线
过程方程 pV 恒量
特 dE 0
O V1
V V2
（2）反应热只与反应过程的初态和末态有关
------赫斯定律
10
4-3 热力学第一定律对理想气体的应用
一、等容过程 V一定 P-V图上对应一条垂直线
过程方程 p 恒量
P
T
特 dA pdV 0
点 P-V图上对应一条水平直线
过程方程
V 恒量 T
dA pdV
dl
dV 0,dA 0 系统作正功 P
dV 0,dA 0 系统作负功
总功： A dA V2 PdV
V1
O
V
4
3. 热量 内能
传热—改变系统状态的另一种方法
绝
热量Q—传热过程中传递的能量
热 壁
dQ 0 系统从外界吸收热量
Q
dQ 0 系统向外界放出热量
总热量：
Q
2
1
dQ
p1 P3 1atm p2 3atm
T1 270 C 300K
1 V4 2 V3
解 （2）作功 A12 0
A2 3
RT2
ln V3 V2
RT2 ln
p2 p3
823(J )
14
3
O
V
1-2等容 V1=V2 2-3等温 T2=T3
3-4等压 P3=P4
A34 p3(V4 V3 ) R(T4 T3 ) 374(J )
2
E1
E2
E2-E1 A 系统从外界吸收的热量等于系统内能的
增量和系统对外做功之和
Q
注意： 1. 功、热量为过程量，内能为状态量
2. A、Q的正负号
3. 适用任何系统的任何过程
6
4-2 气体的摩尔热容 内能与焓
一、气体的摩尔热容
1.热容量 系统从外界吸收热量 dQ，使系统温度 升高dT，则系统的热容量为
热力学第一定律 气体的摩尔热容 内能与焓 热力学第一定律对理想气体的应用 循环过程 热力学第二定律 熵及熵增加原理 自由能和自由焓
1
4-1热力学第一定律
一、热力学的基本概念 1.热力学过程
热力学过程:热力学系统的状态随时间变化的过程 准静态过程：过程中的每一状态都是平衡态
弛豫时间：非平衡态平衡态的时间 过程无限缓慢： 压缩汽缸中的气体 弛豫时间很短，约 10 -3 秒 实际压缩一次所用时间为 1 秒， 就可以近似为准静态过程。
PV
T1V1 1 T2V2 1 C1
P1V1 P2V2 C 2
P1
T1 1
P2
T1 2
C3
15
例题
3mol双原子理想气体从初状态T1=300k 、P1=105 Pa 到末状态V2=V1/2；分别计算等压过程、等温过程、 绝热过程系统所作的功 A 及末状态的温度 T2 。
积分与过程有关
内能: 物体分子无规则运动的总和
T 恒温热源
热量是过程量
理想气体的内能 E i RT
2
理想气体的内能是温度的单值函数。
5
二、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：
Q E2 E1 A
对微小过程： dQ dE dA 1
点
A
V2 V1
pdV
V2
T
R
V1
V
dV
RT
ln
V2 V1
Q A
12
例 0.1mol的N2，经1-2-3-4过程
P2
P1 P3 1atm P2 3atm
T1 270 C 300K
V4
1 2 V3
14
3
求：从1-4内能的变化、系统作功、 O
V
系统吸热
解：1（P1，V1，T1）， 2（P2，V2，T2），3（P3，V3，T3）