1.2热力学系统的平衡态ppt

3.系统边界 Boundaries 系统与外界之间的分界面称为边界,系统边界可以是固定的,也 可以是运动的.如气缸中的活塞就是活动的边界。 4.孤立系Isolated System 如果系统和外界之间即没有物质交换也没有能量交换，即外 界任何变化都不会对系统产生任何影响，这样的系统称为孤立系。 5. 封闭系 Close System
非平衡态的系统：无法用处处均匀的温度T、压强P及化学组成来 物态参量：确定系统平衡态的宏观量称为物态参量。
状态参量分类：
一种分类
强度量(intensive) ：单位物质所占的体积 (Vm)。与系统质量无关的量， 压强，温度等。
广延量(extensive) ： 与系统质量成正比的量。长度 (m)，面积 (m2, A)， 体积 (m3, V)；体积、热容量、 摩尔数等。 另一种分类：四种参量（按性质分类）： 几何分类：体积； 力学参量：压强；
真空
宏观性质如温度、压力、体积、化学成分 都不变或变化很小。注意，一定要加上“ 不受外界条件影响”的限制。热动平衡。
系统的状态：系统的热力学参量（压强、温度等）来描述。一 般隐含着这样的假定——系统的各个部分的压强与温度都是处 处相等的。
平衡态的特点
1）物态的稳定性—— 与时间无关； 2）自发过程的终点；如： 3）热动平衡（有别于力学平衡）。
小结：重要概念：平衡态，本书中研究的状态，严格上讲不随
时间变化的平衡态是不存在的，平衡态是理想的概念，是在一 定条件下对实际情况的概括和抽象。实际问题中，往往对实际 问题近似当作平衡态来处理，简便地获得与实际情况相符的结 论。因此，平衡态是重要概念。
§1.2.2 平衡态与非平衡态
（Equilibrium State and Non-equilibrium State ）
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例1：自由膨胀实验这一现象称为自由膨胀，所谓“自由”是指 气体向真空膨胀 时不受阻碍。在发生自由膨胀过程中容器中各 处压强都不同，且随时间变化。我们就说这样的系统处于非平 衡态。但是经过了并不很长的时间，容器中气体压强趋于均匀 ，且不随时间变化，它已处于平衡态。 平衡态的定义：在不受外界条件影响下， 经过足够长时间后系统必将达到一个宏观 若没有说明呢？ 孤立系统 上看来不随时间变化的状态，这种状态称 为平衡态（Equilibrium State）。
例如在重力场中的等温大气：在达到平衡态时，低处大气压 虽然要比高处大。若要不同高大气中各处压强相等，反而会使 气体在竖直方向流动，这里气体压强不均匀分布。不能单纯把 是否“宏观状态不随时间变化”或是否“处处均匀一致”看作 平衡态与非平衡态的判别标准。 在静电场中的带电粒子气体，只有当带电粒子受到的静电力 与外力数值相等、方向相反时，带电粒子才可能平衡。这时带 电粒子的空间分布可能已不均匀，因而气体的压强也不均匀。 判断平衡态与非平衡态标准：系统有无热流、粒子流。不 能单纯是否“宏观状态不随时间变化”，“处处均匀一致”。 只要存在热流、粒子流都是外界影响的结果。
稳恒态：在有热流或粒子流（电流）情况下，各处宏观状态 均不随时间变化的状态称为稳恒态（steady state），也称 稳态或定（常）态，（stationary state）。
又如有电流流过置于水中的电阻器，经过足够长的时间后， 可使电阻器各部分的温度、压强均不随时间变化。电阻器是处 于平衡态？因为电流沿着电阻器流过，也有热流从电阻器流向 周围水中，这是外界的影响。 平衡态是稳恒的，但稳恒态不一定是平衡态。 非平衡态：在自然界中，平衡态是相对的、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。 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。
3、化学平衡条件（Chemical Equilibrium） ：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。 平衡态条件：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。 4、平衡态的表示：处于平衡态的系统，可以用不含时间的宏 观坐标（即热力学参量）来描述它。只有处于平衡态的物理 上均匀的系统，才可能在以热力学参量为坐标轴的状态图 （P-V图、P-T图）上以一个确定的点表示它的状态。
第一章 热学导论
§1.2 热力学系统的平衡态 §1.2.1 热力学系统 （一） 系统与外界 热学所研究的对象称为热力学系统（简称系统System）。 与系统存在密切联系（这种联系可理解为存在作功、热量传递 和粒子数交换）的系统以外的部分称为外界(Surroundings)或媒 质（Medium） 1.热力学系统： 在热学中，将自然界相互作用的许多物体中划 分出来，作为研究对象，它包含大量原子、分子，这个研究对 象，称为热力学系统。 2.外界： 对系统状态有直接影响的其它部分称为外界。
扩散现象（Diffusion）：有一隔板将容器分隔为左右两部分，左 边氧气，右边为氮气，两边压强、温度相等，若将隔板抽出，由 于气体分子无规则运动，最后将达到氧气、氮气均匀混合的状态。 在扩散的整个过程中，压强处处相等，力学平衡条件始终满足， 却看到了氧、氮之间的相互混合，粒子的宏观“流动”。
对于非化学纯物质，仅有温度、压强相等，不能完全反映系 统的宏观特征，化学参量也是达到热学平衡条件之一。扩散 就是因为空间各处化学组成不均匀所致（另外，若混合气体 有化学反应，化学组成也要变化。）由此可见，系统要建立 平衡，还需满足化学平衡条件。
稳恒态
例2、P36思考题1：热传导实验，金属棒一端和高温热源接 触，另一端和低温热源接触，有热流不断地从高温端流向低 温端，开始时，杆中各点处的温度随时间变化；经足够长时 间，金属棒各处温度不再随时间变化，即金属棒的状态不随 时间变化，但在金属棒上各点温度不相等。金属棒上有一稳 定的温度梯度，没有均匀一致的温度。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。因为热流是由外界影响所致。只要 把热流切断以排除外界影响，例如使金属棒不与高温热源接 触，金属棒各处温度就要变化.
如果系统系统和外界可以发生能量交换，但不能交换物质，这 样的系统称为封闭系。如气缸中的气体——封闭系。
6. 开放系 Open System
系统与外界既有能量交换，也有物质交换的系统。如人体—— 开系。食物，阳光等。
7. 热力学与力学的区别 力学若把位置、时间、质量及这三者的组合（如速度、动量、 角速度、角动量等）中的某几个独立参数称为物体的力学坐标。 利用力学坐标可描述物体任一时刻的整体的运动状态。经典力学 的目的就在于找出与牛顿定律相一致的、存在于各力学坐标之间 的一般关系。 热力学的注意力却指向系统内部，我们把与系统内部状态有 关的宏观物理量（诸如压强、体积、温度等）称为热力学的参量， 也称热力学坐标。热力学的目的就是要求出与热力学各个基本定 律相一致的、存在于各热力学参量间的一般关系。 热学中一般不考虑系统作为一个整体的宏观的机械运动。若 系统在作整体运动，则常把坐标系建立在运动的物体上。例如， 对于在作旋转运动的系统，其坐标系取在旋转轴上。
§1.2.3 热力学平衡（Thermodynamic Equilibrinm）
系统处于平衡态时应不存在热流与粒子流。
1、热学平衡条件：热流由系统内部温度不均匀而产生的，温度处 处相等看作是热学平衡（Thermal Equilibrium）建立的标准。
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。 气体不发生宏观流动的一个条件是系统内部各部分的受力平衡。 2、力学平衡（Mechanical Equilibrium）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（例如在没有 外场等）情况下，力学平衡反映为压强处处相等。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。
化学参量：化学组分成分；摩尔数，单位体积的分子数
电磁参量。
物态方程
对一定质量的化学纯的系统，它的状态参量满足一定的关系， 这个关系叫物态方程，对于气体、简单液体可以用温度、体积、 压强描述它的平衡态。实验表明：在平衡态下，这三个参量并非 独立，用两个参量就可以表示。
f ( T , P ,V ) 0