1.2热力学系统的平衡态
热力学系统的平衡状态及其描述热力学
§1.1 热力学系统的平衡状态及其描述 8.2 弱简并理想Bose气体和Fermi气体
5. 热力学单位 （国际单位制）
压强：帕斯卡：
能量：焦耳：
1Pa 1N m
2
标准大气压： 1Pn 101325 Pa 10 5 Pa
1J 1N m
§1.1 热力学系统的平衡状态及其描述小结 8.2 弱简并理想Bose气体和Fermi气体
证明？
§1.3 物态方程 8.2
弱简并理想Bose气体和Fermi气体
（5）对固体、液体，要T升高而体积不变很难，故而 常测 和 T ，推知
（6）物态方程
, , T
§1.3 物态方程 8.2
弱简并理想Bose气体和Fermi气体
二、几种物态方程 1. 气体 （n摩尔）理想气体：PV nRT a （1摩尔）范氏气体：( P 2 )(v b) RT v 昂尼斯气体方程
封闭系统： 与外界可交换能量。
边界
§1.1 热力学系统的平衡状态及其描述 8.2 弱简并理想Bose气体和Fermi气体
例，气体系统
Q0 W 0
孤立系统： 粒子数 N 不变、 能量 E 不变。
Q0 W 0
封闭系统： 粒子数 N 不变、 能量 E 可变。 开放系统： 粒子数 N 可变、 能量 E 可变。
§1.1 热力学系统的平衡状态及其描述 8.2 弱简并理想Bose气体和Fermi气体
§1.1 热力学系统的平衡状态及其描述
一、热力学系统和外界 1. 系统研究对象：大量微观粒子组成的宏观系统 外界 2.系统与外界之间可能交换能量 或物质（粒子）。系统按交换类 型可分为：
系统
孤立系统：与外界无交换。 开放系统： 与外界交换能量与 粒子。
简述热力学平衡态
简述热力学平衡态热力学是研究物质能量转化和传递规律的一门学科，而热力学平衡态是指系统处于稳定状态下的一种特殊状态。
在热力学平衡态下，系统的各个性质不随时间发生变化，并且系统内部各个部分之间的宏观性质也保持不变。
热力学平衡态是一个非常重要的概念，在热力学的研究和应用中起着至关重要的作用。
它不仅对于理解系统的宏观性质和相互作用有着重要意义，也为我们研究和设计各种热力学系统提供了基础。
一个系统要达到热力学平衡态，需要满足以下条件：1. 热平衡：系统内部各个部分之间的温度是均匀的，不存在温度梯度。
这意味着热量在系统内部均匀分布，不发生热量的净流动。
2. 力学平衡：系统内部各个部分之间的压强是均匀的，不存在压强梯度。
这意味着力在系统内部均匀分布，不发生力的净传递。
3. 相平衡：系统内部各个相之间的物质组成是均匀的，不存在物质浓度梯度。
这意味着物质在系统内部均匀分布，不发生物质的净流动。
只有当系统满足这三个条件时，才能达到热力学平衡态。
在热力学平衡态下，系统的宏观性质是稳定的，不随时间发生变化。
这意味着系统的温度、压强和物质组成等宏观性质都保持不变。
热力学平衡态是一个理想化的状态，实际系统很难完全达到热力学平衡态。
在现实中，系统总是处于一定程度上的非平衡态，这是由于外界的干扰、内部的不均匀性和不可逆过程等因素造成的。
但是，热力学平衡态作为一个理想化的状态，对于我们研究和理解实际系统的行为具有重要意义。
在研究热力学平衡态时，我们通常使用热力学平衡态的概念和原理来描述和分析系统的行为。
热力学平衡态的概念是热力学研究的基础，它使我们能够建立热力学模型、预测和计算系统的性质，并指导我们设计和改进各种热力学系统。
热力学平衡态是热力学研究中的一个重要概念，它描述了系统处于稳定状态下的特殊状态。
热力学平衡态要求系统满足热平衡、力学平衡和相平衡三个条件，并且系统的宏观性质在热力学平衡态下保持不变。
热力学平衡态的概念和原理对于我们研究和理解系统的行为具有重要意义，它为我们建立模型、预测性质和设计改进系统提供了基础。
第一章 平衡态及状态方程
关于α = κβp的推导
状态方程f(T,p,V)=0
推导：以 Vm, T 为状态参量，p 为态函数： p = p(Vm ,T )
dp
=
⎜⎛ ⎝
∂p ∂T
⎟⎞ dT ⎠V
+
⎜⎜⎝⎛
∂p ∂Vm
⎟⎟⎠⎞T dVm
=
pβdT
−
1 κVm
dVm
当 p = const 时，dp=0。 pβ = 1 ⎜⎛ ∂Vm ⎟⎞ = α κVm ⎝ ∂T ⎠ p κ
2. 物质的分子、原子处于永不停息的无规则的热运动状态。
无规则运动：分子完全随机的运动，该随机性包括速度大小和
速度方向。
各项同性
热运动: 分子运动的宏观整体表现。 平均效果等于零.
典型例子：布朗运动。 1827年
英国植物学家布朗（R. Brown）
微小颗粒的无规则运动称为布朗运动。
花粉、树脂、煤、烟灰、尘埃、化石、 玻璃、矿物等
• 按照状态参量的本身性质，可以分为几何参量、 力学参量、化学参量、电磁参量以及热学特有 的热学参量—温度。
Δp→0
1 V
(
ΔV Δp
)T
=
−
1 V
(
∂V ∂p
)T
α = κβp
•理想气体 pVm = RT
α = 1 , β = 1 ,κ = 1
T
Tp
⎧α = 10−4 K −1
液 体
⎪ ⎨β
= 101~2 K −1
⎪⎩κ = 10−6atm−1
H2O 1.8×10-4 K-1 46.3 K-1
3.9×10-6 atm-1 .
体膨胀 系数
热学 第一章 热力学系统的平衡态与温度
例如：粒子数
箱子假想分成两相同体积 的部分，达到平衡时，两侧粒 子有的穿越界线，但两侧粒子 数相同。
三、状态参量
状态参量：描述系统平衡态宏观性质的物理量。 常用的状态参量包括以下四类:
几何参量，如体积和应变等； 力学参量，如压强和应力等； 电磁参量，如电场和磁场强度、电极化与磁化等； 化学参量，如组成系统各化学组份的质量、物质的量。 只需要体积和压强两个状态参量就能够确定热力学 系统的平衡态，这样的系统称之为简单系统。
不管是哪种气体，当
压强趋于零时，所建立的 温标都趋于相同的极限值
p
V
T lim 273.16 lim 273.16
ptr 0
ptr
ptr 0
Vtr
——理想气体温标
3、热力学温标 （不依赖于任何测温物质及其物理属性）
开尔文根据热力学第二定律建立了热力学温标。
在理想气体温标所能确定的温度范围内，理想气体
线度约为10-4---10-5 ， 1cm3气体中包含1011个微粒；
二、宏观物体内的分子在不停地运动并与温度有关
1827年，布朗（英 国植物学家）
在显微镜下观察悬
浮在液体中的小颗粒
永不停息地运动着，
其中任何一个运动都 是 无 规 则 的 或 无 序 的 。 布朗粒子
--------布朗运动
布朗运动
由观察和实验总结出来的热力学规
宏观描述 律，不考虑宏观物体内大量微观粒
研
子的微观结构，从能量观点直接研
究
究宏观物体的性质与规律。——热
方
力学方法
法
从物质的微观结构出发，依据每个
微观描述 分子所遵循的力学规律，用统计的
方法研究宏观物体的性质。——统
大物热学第一章 热力学系统的平衡态及平衡方程PPT课件
vi v
pV vRT p pi
Dalton’s law of partial pressure: 混合气体的压强等于
－steady state 在外界影响下，系统的各部分宏观性质不随时间而
变化的状态。 例：
－Non-equilibrium state 系统的宏观性质随时间而变化的状态。
从非平衡态到平衡态的转变，称为驰豫过程。其时间
常数称为驰豫时间。
可编辑课件
8
－Quasi-static (quasi-stationary) state 从非平衡态到平衡态转变的热力学过程中，每一个
热学
Heat (and Thermodynamics)
什么是热学
研究热现象的规律及其应用的学科
热学包含的内容
1. 热学的基本参量——温度和热量的概念
2. 物质的热性质
状态方程 热膨胀 比热 热传递的规律
3. 热力学定律
第零、第一、第二、第三定律
4. 热现象的微观理论
气体分子运动论 统计物理
可编辑课件
强趋于零时的极限（稀薄气体）。（可以证明理想气体
的内能与压强无关）
理想气体在平衡态时满足
Charles law
pT
Gay-Lussac law V T Boyle-Marriotle law—一定质量的气体，当温度一定 时，P和V成反比
PV = const (T) 对于1 mole 理想气体
PVm = RT R为Universal gas constant
III.气体分子运动论的初步概念（1.1，1.6节）
可编辑课件
20
Ⅱ Equation of State 1. 什么是状态方程（状态方程的一般讨论）
热力学知识：热力学中的热力学平衡态和动态态
热力学知识：热力学中的热力学平衡态和动态态热力学是研究热、功、能转化及其相互关系的学科，它是自然科学及其应用科学中不可或缺的一个重要分支。
在热力学中，对于系统的状态，我们通常用状态量来描述和表征。
热力学平衡态和动态态就是描述系统状态的两种不同的方式。
一、热力学平衡态热力学平衡态是指在一个封闭系统中达到的平衡状态。
在一个热力学平衡态下，系统的状态被认为是稳定的，它不会发生任何的变化。
这是因为，通过热力学平衡态下的一系列规律和定律，系统中能量的转化达到了最大化，并且系统的熵也达到了最大值。
在热力学平衡态中，任何形式的能量转化都是热力学上可以由系统自行完成的。
因为系统在达到平衡态之前，经过了能量的传导、传输等一系列的热力学过程，最终组成了一个热平衡态。
而这个过程也可以看成是是热力学平衡的方向，因为热力学的过程总是从不稳定的状态朝着稳定的状态发展。
二、热力学动态态和热力学平衡态不同，热力学动态态是指系统状态随时间而变化的过程。
在热力学动态态下，系统中的能量不断变化，系统的状态呈现出变化和波动的状态。
这个过程也可以理解为，系统在没能达成平衡态之前的过程。
在热力学动态态中，系统状态的变化受到各种因素的影响。
例如在封闭的系统中，我们可以通过加热、冷却、加压、减压等方式创造这样的热力学过程。
在这个过程当中，我们可以观察到系统中的分子更加活跃，它们在不断地碰撞、交换热量和能量，最终达到平衡态。
三、总结总之，在热力学中，热力学平衡态和热力学动态态都是非常重要的概念。
它们通过描述系统的状态变化等性质，更好的帮助我们理解热力学的过程和规律，进而应用在热力学的工业、生物等众多领域。
因此，对这两个概念的深入理解可以对我们的热力学研究有很大的帮助。
热力学平衡态
热力学平衡态热力学平衡态是热力学系统处于一种稳定状态的特征。
在热力学平衡态下，系统的各种宏观性质保持不变，不论政策，压强，温度等因素如何变化。
本文将介绍热力学平衡态的定义、判据以及相关的热力学基本原理。
一、热力学平衡态的定义热力学平衡态是指系统内部各部分之间以及系统与周围环境之间达到热平衡、力学平衡以及化学平衡的状态。
热平衡指的是系统内各部分之间没有净的热量传输。
力学平衡指的是系统内各部分之间没有净的力传输。
化学平衡指的是系统内各部分之间没有净的物质交换。
当这三个平衡都达到时，系统就达到了热力学平衡态。
在热力学平衡态下，系统的各种宏观性质保持不变。
例如，温度在整个系统内部是均匀的，压强在系统内各点是一致的，物质的浓度也是均匀的。
这种不变性是热力学平衡态的基本特征。
二、热力学平衡态的判据热力学平衡态的判据是热力学第二定律。
根据热力学第二定律，孤立系统总是倾向于朝着熵增加的方向发展。
当系统内部达到最大熵时，系统就达到了平衡态。
具体来说，系统内部的熵对于达到平衡态非常重要。
当系统内熵增加的方向受到限制时，即各部分之间存在不同的温度、压强等差异时，系统就不能达到平衡态。
只有当系统内部的熵不再增加，或者说系统的熵达到最大值时，系统才能达到平衡态。
三、热力学平衡态的基本原理热力学平衡态的基本原理包括热平衡原理、力学平衡原理和化学平衡原理。
热平衡原理是指在热力学平衡态下，系统内部以及系统与周围环境之间没有净的热量传输。
这意味着系统内各部分之间以及系统与周围环境之间的温度是一致的。
力学平衡原理是指在热力学平衡态下，系统内各部分之间没有净的力传输。
系统内的各个部分受力平衡，不会出现不均匀的压强分布。
化学平衡原理是指在热力学平衡态下，系统内各部分之间没有净的物质交换。
系统中的化学反应达到平衡，各种物质的浓度保持不变。
总之，热力学平衡态是热力学系统达到的一种稳定状态。
通过热力学平衡态的定义、判据以及相关的热力学基本原理，我们可以更好地理解和研究系统的平衡态，为实际应用和科学研究提供了基础。
简述热力学平衡态的内容
简述热力学平衡态的内容热力学平衡态是热力学的基本概念之一，它指的是热力学系统在经过一段时间的相互作用后所达到的一种稳定的状态。
这种状态下的热力学系统中的各个部分，包括宏观量，例如温度、压力、物质的量等以及微观状态，例如粒子数、化学成分等，都处于一种宏观均匀且相互作用平衡的状态。
热力学平衡态的条件是系统各部分之间的相互作用已达到一种平衡状态，系统的宏观状态也已经稳定。
在这种状态下，系统中各部分的能量在系统内部流动，并且与外界环境的交换也已经达到平衡。
在热力学平衡态中，系统的能量状态可以用能量均分定理进行描述。
能量均分定理指出，系统的内能与其体积的立方成正比，与温度的平方成正比，与系统的物质的量成正比。
这意味着在热力学平衡态中，系统内部的能量分布是均匀且与外界环境无关的。
热力学平衡态是热力学理论的基础，它为我们理解和预测热力学现象提供了重要的指导。
例如，热力学平衡态是热力学第二定律的基础，它指出在自然界中，一个封闭系统的熵不能自发地减少。
这为我们理解热力学系统的发展方向，以及热力学过程的不可逆性提供了重要的理论依据。
总的来说，热力学平衡态是热力学理论的基石，它是我们理解和预测热力学现象的重要工具。
在未来，我们可以期待通过深入研究和探索热力学平衡态的更多性质，以期在能源、材料科学和环境科学等领域取得突破性的进展。
例如，利用热力学平衡态的理论，我们可以开发出更高效的能源存储和转换设备，从而在保护环境和可持续发展方面取得新的进展。
此外，热力学平衡态的理论还可以应用于医药和生物技术等领域，通过优化药物分子的结构和性能，有望开发出更加有效的药物来治疗各种疾病。
总之，热力学平衡态为我们打开了通往未知世界的大门，未来的研究将为我们带来更多的惊喜和希望。
热学1
组 成 成 分 均 匀 性 分
复相系统：多种物相组成的系统，或非均匀系统。 复相系统：多种物相组成的系统，或非均匀系统。
1. 热力学系统的平衡态及状态方程
• 热力学系统的状态参量
力学：物体的位置坐标 r，速度v等 热学体系的状态能否用一组 r 和v来描述？ 热学系统所包含的分子数的数量级为1023，若用r和v 去描写，要解1023个牛顿方程，这是不可能的。
1bar =105 Pa 1atm =101325Pa = 760mmHg 1Torr =1mmHg 23 −1 1NA ≈ 6.0221367×10 mol
1. 热力学系统的平衡态及状态方程
1.3 平衡态的概念
• 在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质长时 在没有外界影响的情况下， 间不发生变化的状态称为平衡态 • 在外界的影响下，系统的宏观性质长时间不发生变化 在外界的影响下， 的状态称为稳定态 热动平衡态
-1/αp
0 p
100 t/oC
T0 = 273.15 C
o
p0
t = −T0 , p = 0
T0 + t p = p0 T0
绝对零度
T p = p0 T0
-1/αp -T0
0
100 t/oC
p T = T0 p0
1. 热力学系统的平衡态及状态方程
2）定压气体温度计 ）
V =V0 (1+αV t)
形成固态 形成固态 当ε
>> EB 时，分子的平均动能远大于其间的势阱深度
分子尽可能地均匀充满占据的空间，形成气态 分子尽可能地均匀充满占据的空间，形成气态 当
ε ≈ EB
时，分子的动能与分子间的势阱相当
形成介于固态和气态之间的液态 形成介于固态和气态之间的液态
热力学系统的平衡态
热力学系统的平衡态
热力学系统指的是由一定物质量的物质组成的系统，它可以处于不同的状态，包括平衡态和非平衡态。
平衡态是指系统内各个宏观量之间的关系达到了一种稳定状态，不再发生任何变化，而非平衡态则是指系统内各个宏观量之间的关系没有达到稳定状态，会不断发生变化。
热力学系统的平衡态又可以分为静态平衡态和动态平衡态。
静态平衡态是指系统各个宏观量之间的关系达到了一种稳定状态，并且不再发生任何宏观的可观测变化，而动态平衡态则是指系统各个宏观量之间的关系达到了一种稳定状态，但是系统内部还会发生微小的宏观变化，这些变化很难被观测到。
热力学系统达到平衡态的过程叫做热力学过程，它可以分为两种：可逆过程和不可逆过程。
可逆过程是指系统在达到平衡态的过程中，各个宏观量之间的关系一直保持着平衡态，而不可逆过程则是指系统在达到平衡态的过程中，各个宏观量之间的关系会发生变化，无法保持平衡态。
热力学系统的平衡态是一种非常重要的概念，在热力学领域中得到了广泛的应用。
了解热力学系统的平衡态，可以帮助我们更好地理解和解释物质的宏观现象，也有助于我们设计和优化各种工业过程。
- 1 -。
热力学系统平衡态理想气体的状态方程
N V
R T
NA
nkT
理想气体状态
令:
n N V
分子数密度
P nkT
方程的变形
k R 1.3810-23 J / k 玻尔兹曼常数
NA
6
了解有关气体的一些性质:
1.气体是由大量分子组成的，气体分子的直径约为 10-10m;
2.标准状态下，1m3的气体约有1025个分子。1mol气体 有6.0221023个分子。
热力学系统 平衡态 理想气体的状态方程
1
一、热力学系统 平衡态
热力学系统（系统）：在给定范围内，由大量微观 粒子所组成的宏观客体。 对系统的研究可从宏观和微观两方面进行。 在这一章里，我们只研究处于平衡态的系统。
热力学平衡态：一个系统在不受外界影响的条件下， 如果它的宏观性质不再随时间变化，我们就说这个系 统处于热力学平衡态。
各物理量的含义：
M mol
1.压强P—单位面积的压力。
P
F S
从力学角度描写气体状态的物理量。
国际单位：牛顿/米2，N·m-2, 帕（Pa）
常用单位：大气压，atm 1atm 1.013 105 Pa
2.体积 V----气体分子活动的空间体积。
从几何角度描写气体状态的物理量。
对于理想气体分子大小不计，分子活动的空间体 积就是容器的体积。
R 8.31 J mol -1 k -1
5
3.理想气体状态方程的变形
理想气体状态方程：PV RT M RT
M mol
分子的质量为 m，分子数为 N， 气体质量：M Nm
摩尔质量：M mol N Am,
NA为阿伏加德罗常数，N A 6.022 10 23
P M VM mol
一章热力学系统的平衡态和物态方程-精品文档
第一章 热力学系统的平衡态和物态方程
例1.1 如图所示，若测得此时B的压强读数为p，求待测温度T。
解：
VB
温泡A 测温前
压力表B
B
m T0 C T0 A VA M T
p0VA M R T0 Mm
p0VB m R T0 Mm
pV m m B R T M 0 m
pV m A M 测温后 R T M m
C A B 绝热壁
A
C B
C
A B
于热平衡，即使A和B没有接触，它们仍然处于热平衡状态，这种
规律被称为热力学第零定律。
第一章 热力学系统的平衡态和物态方程
3.热力学第零定律的物理意义 • 互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征，这个特 征定义为温度，即它们的温度是相同的。
(证明，存在一个态函数，当两个系统处于热平衡时， 该态函数相等，定义为温度。) • 第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度 是否相同的方法。
§1. 1 热力学系统的平衡态
1.1.1 热力学系统
系统 系统：研究的对象 外界：系统以外的部分 外界 a.孤立系统：与外界既不交换物质又不交换能量的系统
b.封闭系统：与外界不交换物质但可交换能量的系统
c.开放系统：与外界既交换物质又交换能量的系统
第一章 热力学系统的平衡态和物态方程
1.1.2平衡态及状态参量
第一章 热力学系统的平衡态和物态方程
9 t 0 tF [ 0C 32 ] F 5
0
t 是摄氏温标
R TR 1.8T( ) TR 是兰（金）氏温标 K tF 0 T [ 459 . 67 ] R R 0 F
0
t T 273 .15 C K
热力学中的平衡态与非平衡态
热力学中的平衡态与非平衡态热力学是研究物质的宏观性质和宏观变化规律的学科，其中最基本的概念之一是平衡态与非平衡态。
平衡态是指系统达到宏观与微观的热力学性质不发生任何变化的状态，而非平衡态则相反，系统的宏观与微观性质都在不断变化。
一、平衡态在热力学中，平衡态是指系统中各种力和物质的分布、温度、压强等各种宏观性质不发生任何变化的状态。
在平衡态下，热力学系统的各个部分之间达到了相对的稳定状态，不存在能量和物质的净流动。
平衡态可以分为热平衡和力学平衡两个方面。
热平衡是指系统内部各部分的温度相等，不存在温度差。
力学平衡是指系统内外的压力相等，不存在压强差。
只有同时满足热平衡和力学平衡，才能够达到真正的平衡态。
在平衡态下，物质之间发生的各种宏观和微观变化都处于一种动态的平衡状态，相互之间达到了稳定的均衡。
二、非平衡态与平衡态相对的是非平衡态，即系统中各种力和物质的分布、温度、压强等宏观性质都在不断变化的状态。
非平衡态往往显示出不稳定和动态的特征。
非平衡态的存在主要得益于外界对系统的扰动，如温度梯度、压力差等。
这些扰动破坏了原本的平衡状态，从而导致了物质和能量的净流动。
在非平衡态中，系统的各个部分之间存在能量和物质的净流动。
这种流动会使得系统的各个部分温度、压强等宏观性质发生变化，最终达到新的平衡态或者进一步偏离平衡态。
三、平衡态和非平衡态的关系平衡态是理想的状态，它具有稳定、可逆、均匀等特征。
而非平衡态则是真实世界的常态，存在着各种复杂的宏观和微观变化。
平衡态和非平衡态之间是一种动态的统一关系。
在非平衡态下，系统倾向于寻找新的平衡态，而平衡态又可以成为非平衡态的起始点。
平衡态和非平衡态的研究有助于我们深入理解物质的热力学性质和变化规律。
平衡态的研究可以为我们提供理论基础和参考模型，而非平衡态的研究则可以帮助我们更好地理解和解释真实世界中的各种现象。
结论热力学中的平衡态和非平衡态是描述系统状态变化的重要概念。
热力学系统和平衡态
汇报人：XX
热力学系统的概念 热力学平衡态 热力学系统的状态变化
热力学系统的能量转化和传递
热力学系统的熵和熵增原理
热力学系统的应用和发展趋势
热力学系统的概念
系统的定义和分类
系统的定义：由相互关联、相 互作用的若干组成部分构成的 具有特定功能的整体。
系统的分类：根据不同的标 准，可以将系统分为多种类 型，如根据系统的特性可以 分为线性系统和非线性系统； 根据系统的规模可以分为宏 观系统和微观系统。
力平衡：系统内各部分之间达到力平衡，即系统内部各部分之间的压力相 等且等于外界压力
平衡态的分类
定态：系统内部状态不随时间变化
热力学平衡态：系统内部各部分之 间也达到平衡状态
添加标题
添加标题
添加标题
Hale Waihona Puke 添加标题平衡态：系统与外界达到热平衡状 态
热平衡态：系统与外界达到热平衡 状态，但系统内部各部分之间不一 定达到平衡状态
熵的性质：熵是 状态函数，其值 只取决于系统的 状态，与系统达 到该状态的过程 无关。
熵增原理：封闭 系统的熵总是趋 向于增加，即系 统总是向着更加 混乱无序的状态 演化。
熵的意义：熵可 以用来判断系统 自发过程的方向， 熵增加的过程是 自发的不可逆过 程。
熵增原理及其应用
熵增原理：热力学第二定律，系统总是向着熵增加的方向进行
熵增原理的意义：表明孤立系统的熵永不减少，即系统总是向着混乱度增加的方向进行
熵增原理的应用：用于解释自然现象和工程问题，如热传导、扩散、相变等
熵增原理的限制：对于非孤立系统，熵可以减少或不变，例如在封闭系统中通过外部作 用可以实现熵的减少
熵与自然界的演化方向
简述热力学平衡态
简述热力学平衡态热力学平衡态是指在一定的条件下，系统内各个宏观性质的分布保持稳定，不随时间变化的状态。
热力学平衡态是热力学研究的基本对象，它是热力学定律和规律的基础。
本文将从热力学平衡态的概念、特点、达到平衡态的条件和平衡态的稳定性等方面进行简述。
热力学平衡态是指系统达到了一种稳定的状态，其中各个宏观性质的分布保持不变。
在热力学平衡态下，系统的各种宏观量如压强、温度、体积等都不随时间变化，而是达到了一个稳定的值。
这是因为在平衡态下，系统内各个微观粒子的运动和相互作用达到了一种平衡状态，使得宏观性质保持不变。
热力学平衡态具有以下几个基本特点。
首先，平衡态下系统的宏观性质保持不变，不随时间变化。
其次，平衡态是一种稳定的状态，系统处于平衡态时，即使受到微小的扰动，也能够自动调整回平衡态。
再次，平衡态是系统内各个微观粒子的运动和相互作用达到一种平衡状态的结果，是一个动态平衡。
达到平衡态的条件主要有两个方面：一是系统处于封闭系统，与外界无任何物质和能量交换。
二是系统内各个宏观性质的分布达到稳定状态，不随时间变化。
在这两个条件下，系统内各个微观粒子的运动和相互作用达到平衡，从而形成了热力学平衡态。
热力学平衡态的稳定性是指系统在受到微小扰动后，能够自动恢复到原来的平衡态。
热力学平衡态的稳定性与系统的热容、热导率、粘度等性质有关。
一般来说，热容越大，热力学平衡态越稳定。
而热导率和粘度越小，热力学平衡态也越稳定。
这是因为热容大的系统对能量的吸收和释放能力更强，能够更好地抵抗外界扰动；而热导率和粘度小的系统则能更好地保持内部的温度和动力学平衡。
热力学平衡态是系统在一定条件下达到的稳定状态，其中各个宏观性质的分布保持不变。
热力学平衡态是热力学研究的基础，它的稳定性与系统的性质相关。
通过研究热力学平衡态，可以揭示物质的宏观性质与微观粒子的运动和相互作用之间的关系，进而推导出热力学定律和规律，为热力学的应用提供理论基础。
热力学中的热力学系统平衡状态分析
热力学中的热力学系统平衡状态分析热力学是研究能量转化和能量传递的学科，其中热力学系统是研究的对象之一。
热力学系统指的是由物质组成的任何区域，可以是一个单独的物体、一个机械装置或者一个化学反应器。
在热力学研究中，我们经常关注的是热力学系统的平衡状态。
热力学系统的平衡状态是指系统的各个宏观性质保持不变的稳定状态。
在平衡状态下，系统的能量和熵都达到了最小值或最大值，并且不会发生任何变化。
而平衡状态分析就是通过研究系统的宏观性质来确定系统是否达到了平衡状态。
要进行热力学系统的平衡状态分析，首先需要了解一些基本概念，如能量、温度、压强和熵等。
能量是热力学系统的基本性质，可以存在于不同的形式，如热能、机械能和化学能等。
温度是反映系统热平衡状态的物理量，是热力学系统能够与外界达到热平衡的基础。
压强是反映系统物理状态的物理量，衡量的是热力学系统内分子对单位面积的碰撞力。
熵是反映系统无序程度的物理量，用来描述系统的状态变化。
在进行平衡状态分析时，常常使用热力学的两大定律：热力学第一定律和热力学第二定律。
热力学第一定律是能量守恒定律，即能量不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
通过使用热力学第一定律，可以计算系统的能量转化和传递过程。
而热力学第二定律是关于能量转化方向的定律，指出自然界中热量只能从高温物体传递到低温物体，并且在热力学系统的任何过程中，总是增加熵。
在进行平衡状态分析时，还要考虑系统的环境以及系统与环境之间的能量和熵的交换。
系统与环境之间可以发生热传递、功交换和物质交换。
热传递是指系统与环境之间因温度差异而发生的热量交换，功交换是指系统与环境之间因压强差异而发生的功的交换，物质交换是指系统与环境之间因物质浓度差异而发生的物质的传递。
根据热力学系统的平衡状态分析，可以得出以下结论：1. 在热平衡状态下，系统的内能、温度和热量传递达到平衡，系统的能量转化和传递无净变化。
2. 在力学平衡状态下，系统的压强和体积保持恒定，系统的体积转化和传递无净变化。
热力学系统的热力学平衡条件
热力学系统的热力学平衡条件热力学是研究物质能量转化过程的学科，热力学平衡则是研究系统内各个组分之间的平衡状态。
了解热力学平衡条件对于理解系统的性质和行为非常重要。
本文将探讨热力学系统的热力学平衡条件。
1. 温度平衡在热力学系统中，温度是一个非常重要的参数。
热力学平衡条件之一就是系统内各个部分的温度必须相等。
这是因为热量是从高温向低温传递的，如果系统不同部分的温度不相等，就会出现能量的净传递，系统无法达到平衡状态。
因此，温度平衡是热力学平衡的基础。
2. 压力平衡除了温度平衡，另一个重要的热力学平衡条件是压力平衡。
在封闭系统中，各个部分的压力必须相等。
如果系统内压强不均匀，就会出现物质流动，系统无法达到平衡状态。
压力平衡是保持系统内部相互联系的重要因素。
3. 化学平衡化学反应是热力学系统中常见的现象。
热力学平衡条件要求系统内的化学反应达到平衡状态。
在平衡状态下，化学反应的正反向速率相等，达到动态平衡。
化学平衡条件包括物质浓度和活性的平衡。
4. 相平衡相平衡是指系统内不同相之间的平衡状态。
在热力学系统中，可能存在固体、液体和气体等不同相。
相平衡条件要求系统内各相的特性保持稳定，不发生相变。
例如，液体和蒸汽在相平衡状态下，液体表面蒸发和蒸汽凝结的速率相等。
5. 熵最大原理热力学平衡还受到熵最大原理的制约。
熵是系统的无序程度的度量，熵最大原理认为在系统达到平衡时，熵具有最大值。
系统倾向于增加熵，以达到平衡状态。
例如，两个热力学系统的热平衡就是为了使得熵增加的方向。
通过分析热力学系统的热力学平衡条件，我们可以更深入地理解系统的特性和行为。
这些平衡条件相互作用，共同决定了热力学系统的稳定状态。
热力学平衡不仅仅是一个系统内部的状态，它还反映了宏观环境与系统之间的关系。
总结起来，热力学系统的热力学平衡条件包括温度平衡、压力平衡、化学平衡、相平衡和满足熵最大原理。
这些条件相互制约，共同决定了系统的平衡状态。
了解热力学平衡条件对于研究系统行为和实际应用具有重要意义。
工程热力学与传热学：1-2 平衡状态及状态参数
则它们彼此也处于热平衡。 （3）温标 （temperature scale）
温度的数值表示法。
➢ 热力学温标 （thermodynamic scale of temperature）
1—2 平衡状态及状态参数
1-2-1 工质的热力学状态
பைடு நூலகம்
1. 工质的热力学状态（thermodynamic state）
工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观
物理状况。
2. 状态参数（state parameter）
系统的 热力学状
描述工质所处状态的宏观物理量。 态
说明
➢状态参数是热力系统状态的单值函数
10m H2O
HH g
p
Hg
1.013 105 pa 13.6 103 9.81
760m
m
Hg
（3）绝对压力，表压力和真空度 ➢ 绝对压力（absolute pressure） 是以绝对真空为基准计量得到的压力，
是工质的真实压力。
➢ 表压力（gage pressure）
是以大气压为基准测量得到的压力 用 Pe 表示
热力学温标基准点：
取水的三相点（triple point）（纯水固、液、气三相
平衡共存的状态点）为基准点，
定义其温度为273.16 K。
１Ｋ= 水的三相点？
➢ 热力学摄氏温标（Celsius）
定义： t = T – 273.15 ℃
✓ 摄氏温度0 ℃ = 热力学温度273.15K ✓ 水的三相点温度 t = 0.01 ℃
2. 压力 （pressure）
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• 第二种粒子流，它不存在由于成群粒子定向运动所导致的 粒子宏观迁移。 • 例3：扩散现象如图所示:
氧气 • •
氮气
氧氮混合气
对于非化学纯物质，仅有温度压强这两个参量不能全部 反映系统的宏观物征， 还应加上化学组成这一热力学参 量。 扩散就是因为空间各处化学组成不均匀所致。
第三个平衡条件—化学平衡条件: • 系统要建立平衡，还需满足化学平衡条件。 化学平衡条件是指：在无外场作用下系统各部分的 化学组成也应是处处相同的。
如何判断系统是否处于平衡态呢？？
不能单纯把是否“宏观状态不随时间变化”或是否“空间分 布是否处处均匀一致”看作平衡态与非平衡态的判别标准。 问题： • 在静电场中的带电粒子气体达平衡态时其分子数密度（或压 强）沿电场方向是否处处相等？ • 那么静电场中的带电粒子气体将如何分布? • 请问在重力场中的气体是怎样分布的?
在无外场条件下，力学平衡反应为压强处处相等。
3.化学平衡条件：无外场作用下系统各部分间化学组成处处 相同。
总结： 只有在外界条件不变的情况下同时满足力学平衡条件、热学 平衡条件、化学平衡条件的系统，才不会存在热流与粒子流， 才能处于平衡态。 判断系统是否处于平衡态的简单方法就是看系统中是否存在热 流与粒子流。
第一章
§1.2 热力学系统的平衡态
作业：
§1.2 一、热力学系统
热力学系统的平衡态
热力学系统（简称系统）：被确定为研究对象的物体或物质体系。 外界：与系统存在紧密联系的系统以外的部分。 分类： 孤立系统：与外界既不交换物质又不交换能量的系统。 封闭系统：与外界不交换物质但可交换能量的系统 开放系统：与外界既交换物质又交换能量的系统
正确判别平衡态的方法应该看是否存在热流与粒子流。 因为热流和粒子流都是由系统状态变化或系统受到外界 影响引起的。
•
在自然界中平衡是相对的、特殊的、局部的与暂时的;
•
• • •
不平衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的。
非平衡现象千姿百态、丰富多彩，也复杂得多，无法精 确地予以描述或解析。 平衡态是最简单的、最基本的。 非平衡态可以通过局域平衡描述。
例2：热传导实验
冰水
开水
T2
有热流不断地从沸水端流向冰水端，
T1
经足够长时间，金属棒各处温度不再随时间变化， 但在水平方向，各点温度不相等。
热流（单位时间流过的热量）虽然不随时间变化，但 它始终存在；
这种状态下的金属棒仍处于非平衡态。
热流由外界影响所致。 只要把热流切断就可以排除外界影响， ( 例如使金属棒不 与沸水接触)，金属棒各处温度就要变化。 在有热流或粒子流情况下，各处宏观状态均不随时间变化 的状态称为稳恒态,也称稳态（定态、常态）。 是否空间各处压强、粒子数密度等不均匀的状态，就一定 是非平衡态呢？未必！ 例如重力场中的等温大气处于平衡态。
热力学参量(坐标)：压强、体积、温度等 热力学与力学的区别 热力学的目的：各热力学参量之间的关系 力学的目的：基于牛顿定律（力学参量） 二、平衡态与非平衡态 1、平衡态 系统的状态由系统的热力学参量（压强、温度、体积等） 来描述。 隐含条件：系统的各个部分的压强与温度都是处处相等的。
例1：自由膨胀实验:
隔板抽走前 的平衡态
隔板抽走后达到 的新平衡态
隔板刚抽走的瞬间系统处于非平衡态。 但是经过并不很长的时间，容器中的气体压强趋于均匀， 且不随时间变化，它已处于平衡态。
对平衡够长 时间后系统必将达到一个宏观上看来 不随时间变化的状态，这种状态称为 平衡态。
只有在外界条件不变的情况下同时满足力学、热学、 化学平衡条件的系统，才不会存在热流与粒子流，才 能处于平衡态。
热力学平衡与力学平衡 力学平衡条件：合力为零，同时合力矩亦为零。 热力学平衡条件： 1.热学平衡条件：系统内部的温度处处相等； 2.力学平衡条件：系统内各部分之间、系统与外界间达到 力学平衡；
二、热力学平衡 系统处于平衡态时应不存在热流与粒子流。
• 热流由系统内部温度不均匀而产生，故可把温度处处相等 看作是热学平衡建立的标准。
由此得到第一个平衡条件 --- 热学平衡条件：即系统 内部的温度处处相等。
粒子流有两种:
• 一种是宏观上能察觉到成群粒子定向移动的粒子流。 • 这是由气体内部存在压强差异而使粒子群受力不平衡所致。 • 故气体不发生宏观流动的第一个条件是系统内部各部分的 受力平衡。 第二个平衡条件---力学平衡条件: 即系统内部各部 分之间、系统与外界之间应达到力学平衡。 • 在通常情况下（例如在没有外场等），力学平衡反映 为压强处处相等。
p
平衡态的特点
( p ,V , T )
*( p,V , T )
o
1）单一性（ p , T 处处相等）;
2）物态的稳定性—— 与时间无关； 3）自发过程的终点*； 4）热动平衡：有别于力学静平衡. 由此，系统地某一平衡态，对应p-V图上的的一个点。
V