《热力学原理复习》课件

热力学原理复习热力学简介什么是热力学？定义主要研究内容热力学是物理学的一个分支，研究能量转换和传递的科学它关注的是热量、功、温度和熵之间的关系，并探讨了这些概念在不同系统中的应用热力学的研究对象热力学系统热力学环境12热力学系统是指我们感兴趣研热力学环境是指系统之外与系究的对象，它可以是一个简单统发生相互作用的物质或空的物质，如一杯水，也可以是间，例如，一个房间内的空气一个复杂的机器，如发动机可以被视为一个系统的环境系统与环境的相互作用热力学的基本概念系统、环境、状态系统环境系统是指我们感兴趣研究的物质环境是指系统之外与系统发生相或区域，可以是封闭的，也可以互作用的物质或空间，例如，房是开放的，例如一个房间内的空间外的空气就是房间内空气系统气就是一个系统的环境状态系统状态是指系统的宏观性质，如温度、压力、体积等，可以用一系列状态参数来描述热力学的过程与循环过程循环过程是指系统状态发生变化的过程，循环是指系统经过一系列状态变化，可以是可逆过程，也可以是不可逆过最终回到初始状态的过程，例如，发程，例如，水的沸腾过程就是一个不动机工作过程就是一个循环可逆过程热力学平衡状态2力学平衡系统内部各部分压力一致，不再发生动量传递热平衡系统内部各部分温度一致，不再发生热量传1递化学平衡系统内部各物质的浓度不再发生变化，化学反应达到平衡状态3热力学温标摄氏温标1以水的冰点为0℃，沸点为100℃，是日常生活中常用的温标华氏温标2以水的冰点为32℉，沸点为212℉，主要用于美国和少数几个国家热力学温标3以绝对零度为起点，绝对零度是理论上的最低温度，约为-

273.15℃，也称为开氏温标，符号为K热力学第一定律能量守恒与转化能量守恒能量不能凭空产生，也不能凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体能量转化能量可以转化为不同的形式，例如机械能、热能、化学能、电能等内能的概念影响因素性质系统的内能受温度、压力、体积等因素影定义内能是状态函数，只与系统的状态有关，响内能是指系统中所有微观粒子（原子、分与过程无关子）的动能和势能的总和功的概念定义1功是指力作用在物体上，使物体在力的方向上发生位移而做的功公式2W=F*S，其中W为功，F为力，S为位移类型3功可以是膨胀功、压缩功、电功等热量的概念定义1热量是指由于温度差而引起的能量传递，它是系统与环境之间能量传递的一种形式方向2热量总是从高温物体传递到低温物体，直到两者温度相等单位3热量的单位通常为焦耳（J）热力学第一定律的数学表达式ΔU系统内能的变化Q系统吸收的热量W系统做的功热力学第一定律可以用以下公式表达ΔU=Q-W定容过程12定义特点定容过程是指系统体积保持不变的过定容过程中，系统不做功，W=0程3公式ΔU=Qv，即系统内能的变化等于系统吸收的热量定压过程定压过程中，系统压力保持不变，体积和温度可以变化定温过程定义特点定温过程是指系统温度保持不变的过程定温过程中，系统内能变化为零，ΔU=0绝热过程绝热过程是指系统与外界没有热量交换的过程，即Q=0，系统内能的变化等于系统做的功循环过程定义特点应用循环过程是指系统经过一系列状态变化循环过程中，系统的内能变化为零，热机、制冷机等都是利用循环过程工作后，最终回到初始状态的过程ΔU=0的热机效率定义公式影响因素123热机效率是指热机将吸收的热量转η=W/Q1，其中W为热机做的功，热机效率受到工作物质、工作温度化为有用功的比例，通常用η表Q1为热机吸收的热量以及循环过程的影响示热力学第二定律熵增原理克劳修斯表述开尔文表述热量不能自发地从低温物体传到不可能从单一热源吸取热量，并高温物体将它全部用来做功，而不引起其他变化熵增原理一个孤立系统的熵总是随着时间的推移而增加，直到达到平衡状态可逆过程与不可逆过程可逆过程不可逆过程可逆过程是指系统在变化过程中，始不可逆过程是指系统在变化过程中，终处于平衡状态，且可以无损失地返至少有一部分过程处于非平衡状态，回到初始状态的过程且无法无损失地返回到初始状态的过程卡诺循环等温膨胀等温压缩系统从高温热源吸收热量，体积膨胀，温度保持不变系统向低温热源释放热量，体积压缩，温度保持不变1234绝热膨胀绝热压缩系统与外界隔热，体积继续膨胀，温度下降系统与外界隔热，体积继续压缩，温度升高，最终回到初始状态卡诺定理内容在相同的高温热源和低温热源之间工作的可逆热机，其效率最高，且任何不可逆热机的效率都低于可逆热机的效率意义卡诺定理为热机效率的极限提供了理论依据，指导了热机设计和改进熵的概念定义熵是用来描述系统混乱程度的一个物理量，它表示系统中微观粒子的无序程度符号熵通常用S表示，单位为焦耳每开尔文J/K性质熵是状态函数，只与系统的状态有关，与过程无关熵增原理的数学表达式公式ΔS≥Q/T，其中ΔS为系统熵的变化，Q为系统吸收的热量，T为系统的绝对温1度解释熵增原理表明，一个孤立系统的熵总是随着时间的推移而增2加，直到达到平衡状态，也就是说系统的混乱程度会不断增加熵与混乱度联系1熵与系统的混乱度直接相关，熵越大，系统的混乱度越高举例例如，一滴墨水在水中扩散的过程，系统的熵值会不断增加，2因为墨水分子在水中扩散，系统的混乱程度会不断增加热力学第三定律绝对零度不可达12内容意义任何系统都无法通过有限次的操作将其热力学第三定律为热力学研究提供了边温度降至绝对零度界条件，表明绝对零度是无法达到的3应用热力学第三定律在低温物理学、材料科学等领域有着重要的应用能斯特热定理能斯特热定理指出，当温度趋近于绝对零度时，任何系统的熵变化趋近于零绝对熵定义计算绝对熵是指在绝对零度时，系统的熵值，用S0表示可以通过实验测定或理论计算得到实际气体的状态方程范德华方程内容公式范德华方程修正了理想气体状态方程，考虑了实际气体分子间的P+a/V^2V-b=RT，其中a和b为范德华常数，与气体种类有相互作用和分子本身所占有的体积关范德华力的概念定义种类12范德华力是指实际气体分子之范德华力包括伦敦色散力、偶间存在的吸引力和排斥力，它极-偶极力、氢键等是由分子间相互作用引起的影响因素3范德华力的大小与分子的大小、形状以及极性有关范德华方程的推导考虑分子间相互作用1由于分子间存在吸引力，实际气体的压力比理想气体要低，因此在压力项中添加一项a/V^2考虑分子本身所占有的体积2由于分子本身所占有的体积，实际气体体积比理想气体要小，因此在体积项中减去一项b压缩因子定义公式意义压缩因子Z是实际气体的摩尔体积与理Z=PV/RT压缩因子反映了实际气体偏离理想气体想气体的摩尔体积之比行为的程度对比状态原理内容对比状态原理指出，在相同的对比状态下，各种气体的压缩因子都相近应用对比状态原理可以用来估算实际气体的性质，例如，通过已知气体的压缩因子来预测未知气体的压缩因子热力学函数内能、焓、自由能、吉布斯函数内能U焓H自由能F系统中所有微观粒子动系统内能与压强和体积系统在定温定容条件下能和势能的总和乘积的总和，用于描述的最大可做功，用于判系统能量的变化断反应的自发性吉布斯函数G系统在定温定压条件下的最大可做功，用于判断反应的自发性内能的性质U状态函数1只与系统状态有关，与过程无关热力学第一定律2内能变化等于系统吸收的热量减去系统做的功影响因素3内能受温度、压力、体积等因素影响焓的性质H定义H=U+PV性质焓是状态函数，与过程无关，在定压过程中，焓的变化等于系统吸收的热量应用焓在化学反应热力学、相变热力学等方面有广泛的应用自由能的性质F定义性质F=U-TS，其中T为温度，S为自由能是状态函数，在定温定容熵条件下，自由能的变化等于系统做的最大功应用自由能可用于判断反应在定温定容条件下的自发性吉布斯函数的性质G定义性质G=H-TS吉布斯函数是状态函数，在定温定压条件下，吉布斯函数的变化等于系统做的最大功麦克斯韦关系式推导1麦克斯韦关系式是基于热力学基本方程和状态函数的偏微分性质推导出来的应用2麦克斯韦关系式可以用来建立热力学函数之间的一系列关系式，方便我们计算和分析热力学性质克拉佩隆方程内容克拉佩隆方程描述了纯物质两相平衡时的压强与温度之间的关系应用克拉佩隆方程可以用来计算相变的温度和压强，例如，计算水的沸点化学势的概念意义符号化学势反映了物质在系统中的能量状态，定义化学势用μ表示，单位为焦耳每摩尔可以用来判断物质在不同相之间的转移方化学势是指在定温定压条件下，系统中每J/mol向增加一个物质的摩尔数，系统吉布斯函数的变化量多组分系统的热力学定义1多组分系统是指包含两种或两种以上物质的系统特点2多组分系统中的物质之间可以发生化学反应，并且系统的性质会受到各物质浓度、温度和压力的影响应用3多组分系统的热力学在化学反应、溶液性质、相平衡等方面有重要应用偏摩尔量的概念定义1偏摩尔量是指在定温定压条件下，系统中某组分的摩尔数变化一个单位，系统某性质的变化量应用2偏摩尔量可以用来描述多组分系统中各物质之间的相互作用，并帮助我们理解系统的性质变化吉布斯杜亥姆方程-12内容应用吉布斯-杜亥姆方程是多组分系统中吉布斯函数的偏微分方程，它吉布斯-杜亥姆方程可以用来计算多组分系统的化学势，并帮助我描述了系统各组分化学势之间的关系们理解系统的性质变化化学反应的热力学放热反应吸热反应化学反应的热力学主要研究化学反应过程中的能量变化、自发性、平衡等问题，为我们理解和控制化学反应提供了理论基础标准生成焓定义符号标准生成焓是指在标准状态下，由最稳定单质生成1摩尔该物质的标准生成焓用ΔHf°表示，单位为焦耳每摩尔J/mol反应焓变盖斯定律内容应用盖斯定律指出，化学反应的焓变只与反应物的初态和生成物的终盖斯定律可以用来计算复杂反应的焓变，例如，通过已知反应的态有关，与反应途径无关焓变来计算未知反应的焓变化学平衡定义特点影响因素123化学平衡是指在一定条件下，正逆化学平衡是一个动态平衡，反应并化学平衡受温度、压力、浓度等因反应速率相等，反应物和生成物的没有停止，而是正逆反应速率相素影响浓度不再变化的状态等平衡常数定义符号平衡常数是指在一定温度下，化平衡常数用K表示，它是一个无学反应达到平衡状态时，反应物量纲量和生成物浓度之比意义平衡常数的大小反映了反应达到平衡时，生成物和反应物的相对含量，可以用来判断反应的程度温度对化学平衡的影响影响定量描述温度变化会影响平衡常数，从而影响范特霍夫等温方程可以用来定量描述化学平衡的位置温度对平衡常数的影响压力对化学平衡的影响影响1压力变化会影响化学平衡的位置，但只对气相反应有影响原理2根据勒沙特列原理，当改变条件时，平衡会向减弱这种改变的方向移动相变的热力学定义相变是指物质从一种物理状态转变为另一种物理状态的过程，例如，水的沸腾过程就是从液态转变为气态的过程类型相变可以是固态、液态、气态之间的转变，也可以是两种固态之间的转变相的概念定义相是指具有相同物理性质和化学性质的物质的均匀部分，例如，冰、水、水蒸气是水的三种不同相判断通过观察物质的物理性质和化学性质是否均匀来判断物质是否处于同一相相律内容应用相律指出，在一个多组分系统中，自相律可以用来分析多组分系统中的相由度F等于组分数C减去相数P加平衡，例如，分析水-盐体系的相平2衡单组分系统的相图定义1单组分系统的相图是在压强-温度坐标系中，表示物质在不同状态下相平衡关系的图内容2相图中包含了物质的熔点、沸点、升华点等信息，以及不同状态下的相平衡关系水的相图特点水的相图比较特殊，因为固态水的密度比液态水的密度小应用水的相图可以帮助我们理解水在不同温度和压强下的状态变化，以及冰的熔点、水的沸点等信息二氧化碳的相图特点二氧化碳的相图与水的相图不同，因为它具有一个三相点，在三相点上，固态、液态和气态三相共存应用二氧化碳的相图可以帮助我们理解二氧化碳在不同温度和压强下的状态变化，以及干冰的升华等信息热力学在工程中的应用蒸汽动力循环概述应用蒸汽动力循环是一种利用水蒸气膨胀蒸汽动力循环是火力发电厂的核心技做功，从而将热能转换为机械能的循术，广泛应用于发电、供热等领域环过程蒸汽动力循环的流程水预热1水在锅炉中被加热到沸点，变成高温高压的蒸汽蒸汽膨胀2高温高压的蒸汽在汽轮机中膨胀，推动汽轮机旋转做功冷凝3蒸汽在冷凝器中被冷却，凝结成水水循环4冷凝后的水被泵送回锅炉，开始下一轮循环兰金循环定义应用兰金循环是一种理想的蒸汽动力循环，它假定所有过程都是可逆兰金循环是实际蒸汽动力循环的理论模型，为我们分析和优化蒸的，且工作流体是理想气体汽动力循环提供了理论依据。