知识点--热力学基本定律部分.doc

知识点-热力学基本定律部分1、热力学第零定律如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。这一结论称做“热力学第零定律”。热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为建立温度概念提供了实验基础。这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。 热力学中以热平衡概念为基础对温度作出定义的定律。通常表述为：与第三个系统处于热平衡状态的两个系统之间，必定处于热平衡状态。第零定律表明，一切互为热平衡的系统具有一个数值上相等的共同的宏观性质温度。温度计所以能够测定物体温度正是依据这个原理。 另一种表述：处于热力学平衡状态的所有物质均具有某一共同的宏观物理性质。2、热力学第一定律：热力学第一定律也就是能量守恒定律。 基本内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向他传递的热量与外界对他做功的和。（如果一个系统与环境孤立，那么它的内能将不会发生变化。） 表达式:U=W+Q 符号规律：热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功，向外界散热和内能减少的情况，因此在使用:U=W+Q时，通常有如下规定： 外界对系统做功，W0，即W为正值。 系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W0，即Q为正值 系统从外界放出热量，Q0，即U为正值 系统内能减少，U0，即U为负值 从三方面理解：1）如果单纯通过做功来改变物体的内能，内能的变化可以用做功的多少来度量，这时物体内能的增加（或减少)量U就等于外界对物体（或物体对外界）所做功的数值，即U=W 2）如果单纯通过热传递来改变物体的内能，内能的变化可以用传递热量的多少来度量，这时物体内能的增加（或减少)量U就等于外界吸收（或对外界放出）热量Q的数值，即U=Q 3）在做功和热传递同时存在的过程中，物体内能的变化，则要由做功和所传递的热量共同决定。在这种情况下，物体内能的增量U就等于从外界吸收的热量Q和对外界做功W之和。即U=W+Q 。3、热力学第二定律：1）自发过程的方向性自发过程：总结出四种自发过程：（1）热传导的过程具有方向性实例：两个温度不同的物理相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温度物体。注意这里所说“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助，电冰箱工作时能将冰箱内（温度较低）的热量，传给外界空气（温度较高），是因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功。热传导的过程可以向一个方向自发地进行（热量从高温物体自发地传给低温物体）；但向相反的方向不会自发地产生（热量不会自发地从低温物体传给高温物体），只有借助外界的帮助才能进行。（2） 气体的绝热自由膨胀的方向性气体可以自发地向真空种自由膨胀，但是绝对不会发生相反的现象：即充满容器的气体会自发地收缩到很小的部分，而其余体积内都为真空。（3）气体的扩散的方向性两种不同的气体可以自发的进入对方，最后成为一种均匀的混合气体，但是绝不会发生相反的现象：一种均匀的混合气体会自发的分开，成为两种气体，除非借助外界帮助。（4）机械能转化内能的方向性（1）通过摩擦而使热功变热的过程是有方向性的。绝对不会发生相反的过程：物体自动地降低温度使其对外做功。（2）内能是可以转化为机械能的，如热机。热机是一种把内能转化为机械能的装置。以内燃机为例，我们来研究热机。它工作时，是汽缸中的气体得到燃料燃烧的热量，推动活塞做功，然后排出废气带走热量。由能量守恒定律知：。而我们定义热机的效率为。对于内燃机，它在排出废时一定会带走一部分热量。故它的效率不可能达到100。热机必须有热源和冷凝器，是工作物质从热源吸收热量，其中一部分用来对外做功，同时还有一部分热量不能做功，而传给了低温的冷凝器。由于热传导是一个自发过程，故热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要带走一部分热量。所以热机的效率不可能为100。能不能制造一种热机，只从单一的热源吸收热量全部对外做功，而不引起其他变化呢？原因是什么？人们把这种想象中的热机称为第二类永动机。人们通过各种努力来制造这种第二类永动机，但都是失败了。最后人们发现这种热机即第二类永动机是不可能制成的。通过上面分析，表示机械能和内能的转化的过程是有方向性的。机械能是可以全部转化为内能，但是内能却不不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化。总结：自发过程是有方向性的。自发过程的方向遵从什么规律呢？2）热力学第二定律说明自然宏观过程进行的方向的规律叫热力学第二定律。而热力学第二定律有两种常用表述：（1）克劳修斯在1850年在研究热机的工作原理的基础上提出了热力学第二定律的一种表述：不可能使热量从低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。这里的“不引起其他的变化”和“自发地”是等价的。（2）开尔文在1851年提出了热力学第二定律的另一种表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。它也可以表述为第二类永动机是不可能制成的。由于自然界的自发过程都是有联系的，是相互依存的。描述自发过程方向性的第二定律也是等价的。热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，对于我们认识自然、利用自然有重要的指导意义。两种表述等价的证明：如果假设热量由高温传向低温的不可逆性消失了，即热量能自动地经过某种假想装置从低温传向高温。这是我们可以设计一部热机，使它在一次循环中由高温热库（热源）吸热Q1，对外做功A，向低温热库放热Q2（Q2=A- Q1），这种热机能自动进行动作，然后利用那个假想装置使热量Q2自动地传给高温热库，而使低温热库恢复原来状态。当我们把该假想装置与此热机看成一个整体时，它们就能从热库T1吸出热量Q1-Q2而全部转变为对外做的功A，而不引起其他任何变化。这就是说，功变热的不可逆性也消失了。同理，反之也成立。4、热力学第三定律热力学第三定律是对熵的论述，一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是等温可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是等温可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。 在绝对零度，任何完美晶体的熵为零；称为热力学第三定律。 对化学工作者来说，以普朗克（M.Planck,1858-1947,德）表述最为适用。热力学第三定律可表述为“在热力学温度零度（即T=0开）时，一切完美晶体的熵值等于零。”所谓“完美晶体”是指没有任何缺陷的规则晶体。据此，利用量热数据，就可计算出任意物质在各种状态（物态、温度、压力）的熵值。这样定出的纯物质的熵值称为量热熵或第三定律熵。 热力学第三定律认为，当系统趋近于绝对温度零度时，系统等温可逆过程的熵变化趋近于零。第三定律只能应用于稳定平衡状态，因此也不能将物质看做是理想气体。绝对零度不可达到这个结论称做热力学第三定律。 是否存在降低温度的极限？1702年，法国物理学家阿蒙顿已经提到了“绝对零度”的概念。他从空气受热时体积和压强都随温度的增加而增加设想在某个温度下空气的压力将等于零。根据他的计算，这个温度即后来提出的摄氏温标约为-239C，后来，兰伯特更精确地重复了阿蒙顿实验，计算出这个温度为-270.3C。他说，在这个“绝对的冷”的情况下，空气将紧密地挤在一起。他们的这个看法没有得到人们的重视。直到盖-吕萨克定律提出之后，存在绝对零度的思想才得到物理学界的普遍承认。 1848年，英国物理学家汤姆逊在确立热力温标时，重新提出了绝对零度是温度的下限。 1906年，德国物理学家能斯特在研究低温条件下物质的变化时，把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中，发现了一个新的规律，这个规律被表述为：“当绝对温度趋于零时，凝聚系(固体和液体）的熵（即热量被温度除的商）在等温过程中的改变趋于零。”德国著名物理学家普朗克把这一定律改述为：“当绝对温度趋于零时，固体和液体的熵也趋于零。”这就消除了熵常数取值的任意性。1912年，能斯特又将这一规律表述为绝对零度不可能达到原理：“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。”这就是热力学第三定律。 1940 年R.H.否勒和 E.A.古根海姆还提出热力学第三定律的另一种表述形式：任何系统都不能通过有限的步骤使自身温度降低到0K，称为0K不能达