《热力学函数》课件

热力学函数热力学函数是描述热力学过程的一系列数学表达式它们描述了系统在不同状态下的内能、焓、熵以及自由能等性质理解热力学函数可以帮助我们更好地认识和预测物理化学系统的行为热力学基本概念系统和环境热量和功状态参量平衡态和非平衡态热力学研究对象是系统及其与热量是能量的一种形式,能引描述系统状态的物理量,如温系统达到热、力、化学等各种环境的相互作用系统指研究起系统温度的变化功是系统度、压力、体积等状态参量形式的平衡时称为平衡态,否的对象,环境指系统外部的其对环境做功或环境对系统做功之间存在热力学关系式则为非平衡态他物理实体的能力内能和热量内能概念热量定义内能和热量关系内能是物体内部各种微粒随机运动所热量是由温差引起的能量流动过程当温度发生变化时,物体内部微粒运动具有的能量它包括分子的平动能、通过热传导、对流和辐射三种方式可状态改变,从而引起内能的变化这就转动能和振动能以实现是热量和内能之间的联系热力学第一定律内能U1物质内部存在的能量热量Q2系统与外界能量交换功W3系统对外界做的功热力学第一定律阐述了内能、热量和功之间的关系它说明能量是可以相互转换的,Q=ΔU+W这个定律为我们理解热机、热泵等热量转换过程提供了基本原理,是热力学研究的基础热力学第二定律熵概念的引入热力学第二定律描述了熵的变化规律,认为熵是衡量一个系统无序程度的物理量自发过程的熵增自发过程中,系统的熵总是增加,这表明自发过程总是导致系统无序程度的增加热机的效率限制热力学第二定律还限定了热机的效率,即卡诺效率是所有热机的最高效率熵的定义和性质熵的定义熵增定律可逆与不可逆过程熵是描述系统无序程度的物理量它衡量了热力学第二定律表明,封闭系统的熵总是在可逆过程不会增加熵,而不可逆过程则会增系统中分子的无序状态熵越大,系统越无增加的,这是自发过程的基本特征加熵自然界中大多数过程都是不可逆的序焦耳汤姆逊效应-温度梯度当流经绝热孔隙的气体或液体遇到压力变化时,如果不发生相变,其温度会发生变化这种现象被称为焦耳-汤姆逊效应能量变化焦耳-汤姆逊效应中,气体或液体的内能发生变化,从而引起温度的变化这种温度变化依赖于物质的焦耳-汤姆逊系数膨胀和冷却在绝热膨胀过程中,焦耳-汤姆逊效应会导致气体温度下降这种降温过程可以用于制冷和液化气体焦耳汤姆逊系数-焦耳-汤姆逊系数描述了气体通过绝热膨胀时其温度变化的大小它是一个重要的热力学参数,决定了使用焦耳-汤姆逊效应进行制冷或加热的性能这个系数随温度和压力的变化而变化,不同气体的焦耳-汤姆逊系数也各不相同精确测量和计算焦耳-汤姆逊系数是设计高效热量转换设备的关键焦耳汤姆逊制冷机-原理1焦耳-汤姆逊制冷机利用焦耳-汤姆逊效应,通过对气体进行断热膨胀来实现制冷工作流程2气体先经压缩机压缩,然后在冷却器中冷却,再经过膨胀阀膨胀冷却,最后经过换热器带走热量应用领域3焦耳-汤姆逊制冷机广泛应用于制冷设备、空调系统和低温工艺等领域焦耳汤姆逊制热机-热量吸收1从外界吸收热量温度升高2通过焦耳-汤姆逊效应使气体温度升高热量释放3将热量释放到高温端焦耳-汤姆逊制热机利用焦耳-汤姆逊效应,通过压缩和膨胀气体来实现从低温热源吸热并向高温热源释放热量的过程这种热机可以在低温环境下工作,并可以用于制热、供暖等用途热机功率和热效率50%热效率理想热机的最高热效率可达50%300W功率典型汽车发动机功率可达300瓦80%热量损失实际热机有80%的热量损失到环境中热机能够将热量转换为机械功率输出热效率定义为有用输出功率与吸收热量之比典型热机效率并不高,受到热力学第二定律的限制提高效率是热机设计的关键目标之一卡诺定理最高效率理想模型卡诺定理指出,任何热机的效率都卡诺热机是一种理想模型,它以无不会超过一个可逆热机的效率,这穷小的温差进行热传递,因此效率个可逆热机的工作温度范围恰好最高实际热机由于各种热量损与给定热机相同失,效率都低于卡诺热机热力学第二定律卡诺定理是热力学第二定律的直接推论,反映了热量自发从高温物体流向低温物体的自然趋势卡诺循环绝热压缩工质从低温等温线压缩到高温等温线，过程为绝热压缩等温吸热工质在高温等温线上吸收热量绝热膨胀工质从高温等温线膨胀到低温等温线，过程为绝热膨胀等温释热工质在低温等温线上释放热量理想气体热力学函数内能理想气体的内能仅与温度有关，与体积和压力无关可以用简单的线性公式表示焓理想气体的焓等于内能加上压力乘以体积同样也只与温度有关熵理想气体的熵与温度和体积的对数有关能够很好地描述气体的无序程度理想气体的内能定义理想气体的内能是由气体分子的无序运动所产生的能量它等于所有分子的动能总和表达式U=n·Cv·T，其中U为内能，n为物质的量，Cv为定容摩尔热容，T为绝对温度性质内能只取决于温度，不依赖于体积和压力它是热力学第一定律中的一个重要概念理想气体的焓理想气体的焓指系统吸收或释放的热量,与体积、温度和压力等参数有关它是热力学上的一个重要概念,可以用来评估化学反应或物理变化的热量变化理想气体焓的大小取决于气体的内部结构和分子间相互作用,反映了系统吸收或释放热量的能力理想气体的熵熵的定义熵是反映系统无序程度的状态函数它描述了系统分子级别的无序程度熵的性质熵是一种广义的度量,可以定量地表示热量的质量熵越大,无序程度越高熵的计算对理想气体,熵可以根据压力、体积和温度计算得出熵变等于热量变化除以温度理想气体的熵反映了气体分子的无序程度它随着气体体积的增大而增大,随着压力和温度的升高而减小熵变是一个有用的热力学概念,可以评估工艺过程的可逆性和效率理想气体热力学函数的应用工艺过程优化工程设计和分析环境保护利用理想气体热力学函数可以优化工艺理想气体的热力学模型可用于设计和分理解理想气体的热力学特性有助于开发过程,如化学反应、流体流动等,提高效析各种工程系统,如制冷系统、动力系统环保技术,减少温室气体排放和提高能源率和节约成本等利用效率真实气体热力学函数分子间相互作用非理想性12真实气体分子之间存在着复杂真实气体的体积和压力并非完的相互作用力,这与理想气体差全服从理想气体方程,存在一定别很大的非理想性状态方程热力学函数34针对不同情况,需要使用不同的真实气体的内能、焓和熵的计状态方程来描述真实气体的热算公式也与理想气体有所不同力学性质真实气体的内能3内能项真实气体内能由3个主要组成部分2分子运动包括分子平动和旋转的能量1相互作用分子间的引力和排斥力的贡献真实气体的内能不仅包括分子的平动和旋转动能,还需考虑分子间的相互作用能这些相互作用是由引力和排斥力造成的,使真实气体的内能比理想气体复杂得多内能的精确计算需要用到状态方程真实气体的焓真实气体的焓与理想气体不同,因为它包含了分子间的相互作用和不同形式的内能焓变ΔH由内能变化ΔU和体积功PΔV组成参数理想气体真实气体内能变化ΔU仅由温度变化决定受温度、压力、分子间相互作用等因素影响焓变ΔH仅由温度变化决定受温度、压力、分子间相互作用等因素综合影响真实气体的熵对于真实气体而言,其熵的变化受到多方面因素的影响除了温度和压力的变化之外,气体分子间的相互作用也会导致熵的变化通过状态方程和热力学关系式,我们可以计算出真实气体在不同状态下的熵值变化这有助于理解和预测真实气体在各种过程中的热力学行为真实气体热力学函数的应用燃料电池化学工艺能源转换材料设计真实气体热力学函数可用于分真实气体热力学函数可应用于真实气体热力学函数在各类能真实气体热力学函数有助于分析和优化燃料电池系统,预测化学反应过程的设计、优化和源转换系统中,如热电联供、析和设计先进材料,如高性能电池性能和效率,从而提高能控制,如蒸馏、吸附和催化反压缩制冷和热泵,发挥重要作合金和功能性陶瓷源转换率应用相变过程的热力学函数物质相变气体液化过程融化过程在一定温压条件下,物质会发生相变,如从固当温度和压力发生变化时,气体会发生液化固体在加热过程中会发生熔化,从固态变为态到液态或从液态到气态这些相变过程会过程这一过程会伴随着体积和密度的变化液态这一过程会吸收一定的热量,导致物伴随着热量的吸收或释放,会影响物质的内,以及热量的释放这些变化可以通过热力质的内能和熵发生变化熔化焓和融化温度能、焓和熵学函数来描述和计算是描述这一过程的重要参数熵变原理熵的定义熵变的描述熵变的公式熵是描述一个系统无序程度的热力学量随熵变反映了一个系统从有序到无序的过程熵变等于系统从初始状态到最终状态的热量着自然过程的发展,系统内部的无序程度总熵变大于0表示过程自发进行,熵变小于0表变化除以绝对温度可用来分析各种自然过是在增加示过程需要做功程的自发性焓变原理焓变定义焓是描述系统能量的热力学量之一，其变化反映了系统吸收或放出的热量化学反应焓变在化学反应中,反应物消耗或生成过程中会伴随焓变这种焓变反映了反应的放热或吸热程度热力学过程焓变对于其他热力学过程,如相变、混合等,都会有相应的焓变焓变反映了过程的热效应吉布斯自由能原理吉布斯自由能概念自发过程和热力学倾向吉布斯自由能是描述系统在恒温恒压条件下可以做的最大有用功一个自发过程总是会使系统的吉布斯自由能降低这表示系统倾的热力学函数它结合了系统的内能、温度和熵变向于朝着使吉布斯自由能最小化的方向进行变化吉布斯自由能应用化学反应预测相平衡分析吉布斯自由能可用于预测化学反吉布斯自由能可用于确定相平衡应的自发性和自发过程的方向状态,如固体-液体、液体-气体等相负值表示反应自发进行,正值表示变过程的平衡条件不自发电化学过程分析生物化学过程分析吉布斯自由能可用于分析电化学吉布斯自由能可用于研究生物体过程,如电池反应的自发性和电动内的化学反应和代谢过程,预测反势的计算应的自发性和反应倾向最后总结系统概述应用场景本课程系统地讲解了热力学基本概念、定律和热力学函数的涵盖了从理想气体到真实气体、从相变过程到热机循环的广理论体系泛应用重点难点结论总述针对性地分析和解释了热力学中的关键概念和原理热力学理论是认识和描述自然界各种能量转化过程的重要基础问答交流在这一部分,我们将开放互动,邀请大家踊跃提出任何关于热力学函数的疑问讨论环节是理解知识点、交流心得的好时机请同学们积极发言,老师和助教也将耐心解答,确保每个人都能掌握这一重要内容。