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1、第六章热力学基础，1功，热量和内能2热力学第一定律3热力学第一定律在理想瓦斯气体的应用4循环过程和卡诺循环5可逆和不可逆过程6热力学第二定律7热力学第二定律的统一意义8熵和熵增加原理9熵的应用10自由焓，1功，热量和内能，1， 几个概念： 1、热力学系统：研究(容器内的气体液体)、2、热力学平衡态孤立系统各宏命令量不随时间变化的状态。 特征：没有粒子流、能量流。 孤立系统：与环境不交换能量，不交换物质的封闭系统：与环境不交换能量，不交换物质的开放系统：与环境交换能量和物质，3，热力学过程系统从一个平衡态向另一个平衡态的转变过程。 可以通过从外部向系统工作或传递热量来完成。 4、准静态过程(理想

2、化模型)过程缓慢，每个步骤为平衡态。 可以用P-V图表示。 典型：等体，等压，等温，绝热，二，工作(准静态过程的体积功)，外界办事儿到系统：(压缩)，规定：外界办事儿到系统是正的，说明： 1，工作可以用P-V图表示的工作大小是曲线下的面积。 2 .工作是过程函数，不是状态函数。 3 .工作是能量传递的一条道路，工作可以改变系统的状态。 三、热量随温度在系统和环境之间传递的能量。 说明： 1、热量是能量的传递方式。 2 .传热也是改变系统状态的一种方法。 3 .热量也是过程函数，而不是状态函数。 四、动能1、内能量为状态函数，E=f (V，T) 2，理想瓦斯气体内能量为温度函数，E=f (T )

3、，2 .热力学第一定律，一、定律的表现和实质，说明：二、第一类不存在永久动机，三、定容摩尔热容量CV，摩尔热容量3360摩尔物质的热容量比热：单位质量的热容量.定容摩尔热容量：可适用于任何准静态过程，古典理论(统一修正和能量连续)存在缺陷，需要量子理论。 解决方法：低温时，仅平移运动，i=3； 在常温下，旋转被激励，i=5； 高温时，振动也被激发，i=7。CV值与实验相比，在常温(300k附近)下较好，但多原子分子瓦斯气体差，四、定压摩尔热容量，绝热常数：迈尔方程、理想瓦斯气体，三热力学第一定律在理想瓦斯气体上的应用，(一)等容过程，(二)物理意义：等压过程中系统从外界吸收的热量，等于系统的焓

4、变化例1，1 mol的理想氦原子瓦斯气体，在标准状况经过等容过程，压力增加2倍，在此过程中要求进入瓦斯气体内。 思维方法：例2，汽缸有1m3的N2，以质量M=1.25kg、P0缓慢加热，使其温度上升1k，求出瓦斯气体膨胀时的工作、瓦斯气体内的增量、瓦斯气体吸收的热量。 如思维方法：例3、图所示，a在b上等温，1molO2可以从a等按压到c上，再从c等按压到b上，从而能够补正瓦斯气体功和所吸收的热量。 构想： (3)等温过程(准静态)、3、工作、热、内能增量、1、过程方程式、(4)绝热方程式、2、P-V图、绝热常数、绝对3、工作、热、内能量增量，4、两根绝热线不相交，绝热膨胀为5，例如8克O2、

5、V1=0.4110-3米3、T1=300k、O2，膨胀后体积vv O2这样等温膨胀时，膨胀后的体积v2=4.10 众所周知，(molK )构想：例题质量为2.8kg，压力为1个标准大气压，温度为27的氮瓦斯气体，先不改变体积，通过使压力增加到3个气压的等温膨胀，将该压力降低至1个标准大气压，然后在等压条件下将该体积压缩一半。 试一试：氮瓦斯气体在全过程中的变化、其工作、吸收的热量。 在P V图中描绘变化的过程。 例题是假设气体服从状态方程PV=A BP CP DP，其中，a、b、c、d都是温度的函数，求出该气体在准静态等温过程中所进行的体积功、四个周期和卡诺循环，特征： 1，工作是被包围的面积

6、. 2，E=0 3，卡诺热机，结论：1 卡诺循环的效率不足1 )提高热机效率的方向提高高低温热源的温度差；3 )卡诺热机的研究促进了热二定理的确立。 4 )热力学温度标度的制作。 三、冷冻机(卡诺循环的逆循环)，5可逆和不可逆过程，一、宏命令过程的方向性，一、功热转换：功可以自动全热。 2 .热传导：热量自动从高温物体传递到低温物体。 3、气体的绝热自由膨胀，二、可逆和不可逆的过程，一个系统从一个状态出发，经过一个过程到达另一个状态，如果有另一个过程，它可以使系统和外部完全恢复，则原来的过程被称为“可逆过程”。 相反，任何方法都不能完全恢复系统和外界，原来的过程被称为“不可逆过程”。 每个实际

7、的宏命令过程都有一定的方向性。 这些个可以在一定的方向上自发地进行，相反的过程不能自发地进行。 热统一的工艺，也就是符合能量守恒的工艺公式能否实现呢？例1 )工作，热的转换(不可逆过程)，例2 )热传导过程(不可逆过程)，例3 )气体的绝热自由膨胀(不可逆过程)，例4 )没有阻力的单摆运动，单纯的没有消散的机械运动是逆过程。 例5 )瓦斯气体的急速膨胀，活塞被很慢地拉动时，外界的总工作为零。 可以看作是可逆过程。 与热现象相关的所有实际宏命令过程都是不可逆的。 |A1|A2|、6热力学第二定律、一、不可逆过程是相互等价的。 功热转换是不可逆导热不可逆，自然宏命令过程是定向进行的规律。 怎样正确

8、表现？ 二、热力学第二定律，(1)开尔文表征从单一热源吸热，不能完全学习，不产生其他影响。 (2)克劳狄说，热量不能从低温物体自动传递到高温物体。 能够从低温物体向高温物体传递热量，不会产生其他影响。 1 )第二定律是实验法则，有各种各样的表达方法，但与逻辑性是等价的。 2 )第二定律是普遍规律，相对于气体，液体固体和生物过程成立。 (3)第二定律的本质：说明与热现象有关的所有实际宏命令过程都是不可逆的。 必须向一定的方向自发地前进。 4 )第二定律的另一种表现：第二类永久动机是不可能的。1、探讨：7热力学第二定律的统计学意义，如气体绝热自由膨胀，一、热二律的统计学意义：只有4个分子，共24=

9、16个微观状态，宏命令可以分成5个状态，3个分子在云同步a室的概率： 两个四个分子在云同步a室的概率：在孤立系统中自发进行的不可逆的过程，总是从概率小的宏观状态向概率大的宏观状态，即从微观状态数少的宏观状态向微观状态数多的宏观状态进行。 孤立系统总是从非平衡态向平衡态迁移。 二、玻耳兹曼熵、对应于某个宏命令状态的微观数称为其宏命令状态的热力学概率，用公式表示。 越大，这种宏命令状态出现的概率越高，在最大的情况下，对应的宏命令状态成为平衡态。 由于微观状态的数量太多，玻耳兹曼引入了另一个量的熵。 定义状态函数s :熵是构成系统的微粒子的无序性(混乱度)的尺度。熵的统一意义：8，8熵与熵增加原理，

10、而克劳狄不等式在任何循环过程下工作物质从热源吸收的热与对应热源温度的比代数和并不大于零。1，说明这个不等式来源于热力学的第二定律。 2、dQ表示在某个原始过程中系统从环境中吸收的热量，dQ表示散热。 3 .表示闭路径积分。 4 .等号对应可逆过程，而不等号对应不可逆过程。 假设系统正在经历可逆周期1A2B1，由于该过程是可逆的，因此系统经历可逆改变，并且仅由处理状态决定，而不管路径如何。 二、状态函数熵s，(1)熵为状态函数。 (2)定义式对可逆过程成立。 说明：(5)如果系统由两个子系统S1、S2构成，则由于总熵SS1S2，(4)、(3)单位，(7)理想瓦斯气体的熵，(6)熵为状态函数，因此

11、与过程无关，初始熵为S0，基准熵为S0理想瓦斯气体的选择任何可逆过程，系统从初始状态() 到最终状态()，沿此过程积分：选择任何可逆过程，系统从初始状态()到最终状态()，说明： (1)孤立系统的自发过程行进方向的判断标准。 当系统达到平衡态时，熵具有最大值。 (3)熵增原理是热力学第二定律的数学公式，对于孤立系内的所有过程，(2)只对孤立系或绝热过程成立，否则熵有可能减少。 例1、等温膨胀、等温压缩例2，小盆友生长成聪明伶俐的后生子，并求出理想瓦斯气体的自由膨胀熵变化。 已知n摩尔的瓦斯气体体，体积从V1变化为V2。 有构想：例2、0.01kg的水，在定压下从200C加热到570C，试着修正

12、水的熵变化。 水的比热C=4.18108Jkg1k1、构想：例3、热量q从高温热源T1传递到T2，在传递热量后，两热源的温度不变，求出过程的熵变化。 构想：例题16g氧从P0V0T0开始，等温膨胀到3V0，然后等容压缩到T0，求全过程的熵变化。 例题1mol的氢瓦斯气体经历了ac、(1)a b等压c等压、(2)a c等温、(1)a d绝热c等压这三个过程。 Va20l Ta300K达到c时的Vc40l Tc300K分别补正熵变化S2-S1(Rln2 )，例题求出将冰1Kg以1atm加热到100的水蒸气时的熵变化。 (8.5710J/K )、作业1 :将温度40的水2Kg和温度27的水3Kg混合

13、，求出混合后的熵变化。 众所周知，水的定压比热为作业2:nmol理想瓦斯气体，其定压摩尔热容量和定容摩尔热容量分别为CP、CV。 通过如图所示的几个准静态过程，求出1-2、2-3、1-3这三个过程的熵变化。等温、现象：1)无机界、无生命世界总是由有序向无序变化；2 )生命现象越来越有序，生物从低级向高级发展、进化。 1、耗散结构、生命是开放的系统。 熵由两部分组成。 系统本身产生的熵总是正值。 与外部交换的熵流的值可以是正的也可以是负的。 说明：9熵的应用是，当系统离开平衡态时，系统继续消耗能量和物质，从熵流中得到负熵，使系统保持高水平有序。 2、熵增加和能量质量的降低，a物体降低h时水温从T

14、-T T，在这个过程中重力势能量Mgh全部变成水的内能。 利用这种能量只能用热机。 m，如果环境温度为T0的话，这部分的能量对外可以工作的最大值是，工作减少，一部分的能量进入低温热库。 已经不能利用了。 在这个部分不能利用的能量被称为退化能量。T T、m、退化的能量使重物和水成为孤立系，其熵变化：c为比热，1 )退化的能量与熵增加成比例，3 )每次利用能量时，得到一定的惩罚将本来可以利用的能量的一部分变为退化的能量2 )自然段的实际过程都是不可逆的过程，即熵增加的过程，大量的能量使用加快了这一过程。 熵的增加导致了世界混乱程度的增加。3、熵与信息、8自由焓与自由焓、自由能等温等容定义： F=U

15、TS称为自由能，这也是一个状态函数自由能判断d F 0物理意义的过程：等温等容过程中，系统自发前进的过程向自由能减少的方向前进， 如果是可逆过程，d F 0可以从平衡态具有最小值的U=FTS中看出，自由能f是内部能量u的一部分，为可用和可转换的部分，并且TS为束缚能量。 二自由焓等温等压定义： G=U PVTS HTS称为自由焓，状态函数自由焓判断dG 0物理意义：在等温等压过程中，系统自发前进的方向是自由焓减少的方向，如果是可逆过程，dG 0的平衡态有极小值。 由H=GTS可知，自由焓g是焓h的一部分，是可用且可转换的部分，且TS是束缚能。 三化学势定义：物理意义：自由焓对于某相粒子数的偏微

16、商是该相的化学势、孤立系统过程的方向性、热力学的总结、温度(t )热0律、自由能(u )热I律、熵(s )热II律1 .状态残奥仪2相反，系统在外功A0系统散热Q0 . 4 .热律在理想瓦斯气体中的应用，5 .循环6 .效率7 .卡诺循环热机效率8 .热律：自然段所有热关系过程不可逆转。 9 .热律的两个表示(1)开尔文表示(2)克劳狄表示： 10 .克劳狄方程式克劳狄不等式11熵物理意义：任意两种状态的熵等于这两种状态的热温比的积分。 注意： (1)熵为状态函数，与过程无关。 (2)熵具有加法性，求代数和。 (3)不可逆过程的熵变化可以通过一系列可逆过程的熵变化重合求出，但两者的处理状态必须相同。 (4)熵的单位： J/K (5)将：吸热规定为散热，因此熵有正负。12理想瓦斯气体