《热力学函数及应用》课件

热力学函数及应用欢迎来到《热力学函数及应用》课程本课程将深入探讨热力学的核心概念和实际应用我们将从基础知识开始，逐步深入到复杂的热力学函数及其在各领域的应用导言课程概述学习目标本课程将详细介绍热力学函数掌握热力学基本概念，理解热及其在各种工程和科学领域中力学函数的物理意义，能够应的应用用热力学原理解决实际问题课程结构从基础知识开始，逐步深入到复杂应用，包括相平衡、化学平衡和电化学等领域热力学基础知识回顾热力学第一定律1能量守恒定律，系统内能的变化等于系统吸收的热量与对外做功之差热力学第二定律2热量不能自发地从低温物体传向高温物体，引入熵的概念热力学第三定律3当温度接近绝对零度时，物质的熵趋近于零内能定义特点应用内能是系统中所有粒子动能和势能的总内能只依赖于系统的当前状态，与系统内能在热力学计算中广泛应用，如计算和，是热力学的重要状态函数到达该状态的途径无关系统吸收或释放的热量热容量定义分类热容量是物质升高单位温度所需包括定容热容量（Cv）和定压热的热量，反映了物质储存热能的容量（Cp），两者在数值上有所能力不同应用测量方法热容量在热量计算、材料选择和通过量热器测定，或利用声速测热设备设计中具有重要应用量等间接方法获得熵熵的定义1系统无序程度的度量熵增原理2孤立系统总熵永不减少熵与可逆过程3dS=δQ/T熵与不可逆过程4dSδQ/T熵与信息理论5熵作为信息量的度量焓状态函数焓变焓是系统的内能与压力和体积乘积之等压过程中，焓变等于系统吸收的热和，H=U+PV量，ΔH=Q工业应用焓在化工、冶金等行业的热量计算中广泛应用吉布斯自由能定义吉布斯自由能G是系统的焓H减去温度T与熵S的乘积，G=H-TS物理意义表示系统在恒温恒压下能够用来做有用功的最大能量平衡条件在恒温恒压下，系统达到平衡时，吉布斯自由能达到最小值应用用于判断化学反应的自发性和确定相平衡条件麦克斯韦关系关系式物理意义∂T/∂VS=-∂P/∂SV温度对体积的偏导数与压力对熵的偏导数之间的关系∂T/∂PS=∂V/∂SP温度对压力的偏导数与体积对熵的偏导数之间的关系∂S/∂VT=∂P/∂TV熵对体积的偏导数与压力对温度的偏导数之间的关系∂S/∂PT=-∂V/∂TP熵对压力的偏导数与体积对温度的偏导数之间的关系热力学定律和应用第一定律1能量守恒，应用于热机效率计算第二定律2熵增原理，应用于过程自发性判断第三定律3绝对零度不可达，应用于低温物理研究综合应用4热力学定律在工程设计和科学研究中的综合运用热量计算实例100kJ50°C反应热温度变化计算某化学反应的标准反应热计算加热过程中系统的温度变化200J/g80%比热容热效率测定未知物质的比热容计算热机的理论最大效率相平衡分析热力学条件相律应用相平衡要求系统的温度、压力和化学势吉布斯相律F=C-P+2，其中F为自由相平衡分析在材料科学、化学工程等领在各相中相等度，C为组分数，P为相数域有广泛应用相图相图是描述物质在不同温度、压力或成分条件下相态的图形表示它们在材料科学、冶金学和化学工程中有重要应用化学势定义物理意义化学势是描述物质在热力学系统中的扩散倾向的量，由吉布反映物质从高化学势区域向低化学势区域转移的趋势斯自由能对物质量的偏导数给出平衡条件应用系统达到平衡时，各相中同一组分的化学势相等用于分析化学反应、相变和扩散过程化学平衡平衡常数1K=exp-ΔG°/RT勒夏特列原理2平衡会抵抗外界变化温度影响3温度升高，平衡向吸热方向移动浓度影响4增加反应物浓度，平衡向产物方向移动电化学势定义计算电化学势是带电粒子在电化学系统中μ=μ°+RTlna+zFφ，其中a为活度的化学势，z为电荷数，F为法拉第常数，φ为电势应用用于分析电池、电解和腐蚀等电化学过程电化学平衡能斯特方程E=E°-RT/nFlnQ，描述电极电势与反应商的关系平衡条件电化学电池中，阳极和阴极的电化学势相等电池电动势电池开路电压等于阴极和阳极标准电极电势之差应用用于设计电池、预测电化学反应方向和程度表面热力学表面张力表面吉布斯自由能应用液体表面的收缩趋势，与表面自由能密G=γA，其中γ为表面张力，A为表面积在润湿、粘附、毛细现象等领域有重要切相关应用膜分离过程渗透反渗透12溶剂通过半透膜从低浓度溶液向高浓度溶液自发移动的过通过施加压力，使溶剂从高浓度溶液向低浓度溶液移动程超滤电渗析34利用压力差和特定孔径的膜分离大分子物质利用电场力和选择性透过膜分离离子吸附过程物理吸附化学吸附吸附等温线通过范德华力或静电力将分子吸附在固体通过化学键将分子吸附在固体表面，吸附描述在恒温条件下，吸附量与压力或浓度表面，吸附热较小热较大的关系催化反应吸附1反应物分子吸附在催化剂表面活化2吸附的分子被活化，降低反应活化能表面反应3活化的分子在催化剂表面发生反应脱附4反应产物从催化剂表面脱离相变过程相变类型1固-液-气转变潜热2相变过程中吸收或释放的热量克拉伯龙方程3dP/dT=ΔH/TΔV相变动力学4核形成和生长过程应用5材料加工、热管理等流体力学伯努利方程粘性流动热力学联系描述流体沿流线运动时压力、速度和高考虑流体内部摩擦力的流动，如泊肃叶流体流动过程中的能量转换和熵产生度之间的关系流动传热过程热传导对流换热通过物质内部分子运动传递热量，遵通过流体流动传递热量，遵循牛顿冷循傅里叶定律却定律热辐射通过电磁波传递热量，遵循斯特藩-玻尔兹曼定律相变传热沸腾凝结液体变为气体的过程，涉及核态气体变为液体的过程，包括膜状沸腾和膜态沸腾凝结和滴状凝结熔化与凝固应用固体和液体之间的相变，涉及潜在制冷、空调和热管理系统中广热的吸收或释放泛应用化学反应热定义化学反应过程中吸收或释放的热量赫斯定律反应热与反应路径无关，只与初态和终态有关标准生成热在标准状态下，由单质生成1摩尔化合物的反应热应用用于计算未知反应的反应热和预测反应的热效应相变焓相变类型焓变示例熔化吸热冰融化成水气化吸热水蒸发成水蒸气凝固放热水凝固成冰凝结放热水蒸气冷凝成水升华吸热干冰直接变成气态CO2反应自发性判定吉布斯自由能变1ΔG0，反应自发进行熵变2ΔS0，有利于反应自发进行温度影响3影响熵项在自由能变中的贡献平衡常数4K1，反应趋向于生成产物自由能变化与平衡常数标准自由能变平衡常数与温度应用ΔG°=-RTlnK，其中R为气体常数，T为根据范特霍夫方程，温度升高时，吸热通过测定平衡常数来计算标准自由能变绝对温度，K为平衡常数反应的K增大，放热反应的K减小，或通过热力学数据预测平衡常数燃料电池原理优点通过电化学反应直接将化学能转化为高效率、低污染、静音运行电能的装置应用用于汽车动力、分布式发电和便携式电源总结与展望核心概念回顾实际应用从基础热力学函数到复杂应用热力学在化学工程、材料科学，我们全面探讨了热力学的核、能源技术等领域有广泛应用心内容未来发展终身学习纳米尺度热力学、非平衡态热热力学是一门不断发展的学科力学等前沿领域将继续推动学，需要持续学习和实践科发展。