熱力學的基本概念匯總

1、§ 4- 1熱力學的基本概念本節(jié)介紹一些基本概念一一熱力學系統(tǒng)平衡態(tài)準靜態(tài)過程。一、熱力學系統(tǒng)（Thermodynamic System）（系統(tǒng)）1. 熱力學系統(tǒng)在熱力學中，把所要研究的對象，即由大量微觀粒子組成的物體或物體系稱為熱力學系 統(tǒng)。在下一節(jié)中，將對熱力學系統(tǒng)進行詳細的討論。外界環(huán)境（環(huán)境）：系統(tǒng)以外的物質(zhì)1）概念：在熱力學中，把要研究的宏觀物體叫作熱力學系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)，也稱為工作物質(zhì)。 熱力學系統(tǒng)是由大量分子組成的，可以是固體、液體和氣體等。本章主要研究理想氣體。與熱力學系統(tǒng)相互作用的環(huán)境稱為外界。2）熱力學系統(tǒng)的分類：根據(jù)系統(tǒng)與外界是否有作功和熱量的交換，系統(tǒng)可分為：一

2、般系統(tǒng)：有功、有熱交換透熱系統(tǒng)：無功、有熱交換絕熱系統(tǒng)：有功、無熱交換 封閉系統(tǒng)：無功、無熱交換（又稱為孤立系統(tǒng)）對于平衡態(tài)的系統(tǒng)，可以用壓強、溫度、體積來描述系統(tǒng)的狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)與外界是否有物質(zhì)和能量交換，系統(tǒng)可分為：孤立系統(tǒng)：無能量、無質(zhì)量交換 isolated system封閉系統(tǒng)：有能量、無質(zhì)量交換 closed system開放系統(tǒng)：有能量、有質(zhì)量交換 Open system絕熱系統(tǒng)：無能量交換adiabatic system二、平衡態(tài)1.氣體的物態(tài)參量對于由大量分子組成的一定量的氣體，其宏觀狀態(tài)可以用體積V、壓強P和溫度T來描述。描述系統(tǒng)狀態(tài)變化的物理量稱為氣體的物態(tài)參量。有體積（

3、V）、壓強（p）、溫度（T）1）氣體的體積（Volumn） V 幾何參量氣體的體積 V是指氣體分子無規(guī)則熱運動所能到達的空間。對于密閉容器中的氣體， 容器的體積就是氣體的體積。單位：m3注意：氣體的體積和氣體分子本身的體積的總和是不同的概念。2）壓強（Pressure） P力學參量壓強P是大量分子與容器壁相碰撞而產(chǎn)生的，它等于容器壁上單位面積所受到的正壓 力。定義式為P上S1Pa=1N m-2單位：（1） SI制帕斯卡Pa（2）cm - Hg表示高度為1cm的水銀柱在單位底面上的正壓力。1mm Hg=1Toor （托）（3）標準大氣壓 1atm=76ch Hg=1.013 x 10 Pa工程大

4、氣壓9.80665 x 104Pa3）溫度（Temperature） T熱力學參量溫度的概念是比較復雜的， 它的本質(zhì)與物質(zhì)分子的熱運動有密切的關(guān)系。溫度的高低反映分子熱運動激烈程度。 在宏觀上，我們可以用溫度來表示物體的冷熱程度，并規(guī)定較熱的物體有較高的溫度。對一般系統(tǒng)來說，溫度是表征系統(tǒng)狀態(tài)的一個宏觀物理量。溫度的數(shù)值表示方法叫作溫標(Thermometer Scale),常用的有(1) 熱力學溫標(Absolute Scale ) T， SI 制單位：K(KeIvin)(2) 攝氏溫標(Celsius Scale )t單位：°C0 °C 水的三相點溫度(the Trip

5、le point)1000C水的沸騰點溫度(3) 華氏溫標(Fahrenheit Scale)F 單位 °F32°C 水的三相點溫度212°C水的沸騰點溫度關(guān)系： T=273.15+t9 F t 325溫度是熱學中特有的物理量，它決定一系統(tǒng)是否與其他系統(tǒng)處于熱平衡。處于熱平衡的各系統(tǒng)溫度相同。溫度是狀態(tài)的函數(shù)，在實質(zhì)上反映了組成系統(tǒng)大量微觀粒子無規(guī)則運動的激烈程度。實驗表明，將幾個達到熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)分開之后，并不會改變每個系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)。這說明，熱接觸只是為熱平衡的建立創(chuàng)造條件，每個系統(tǒng)熱平衡時的溫度僅決定于系統(tǒng)內(nèi)部大量微觀粒子無規(guī)運動的狀態(tài)。4) 說明：氣體

6、的P、V、T是描述大量分子熱運動集體特征的物理量，是宏觀量，而氣體分子的 質(zhì)量、速度等是描述個別分子運動的物理量，是微觀量。氣體動理論就是根據(jù)假設(shè)的分子的模型，用統(tǒng)計的方法研究氣體宏觀現(xiàn)象的微觀本質(zhì)，建立起宏觀量和微觀量平均值之間的關(guān)系。2. 平衡態(tài)(Equilibrium State )個系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，不同部分中，任何一個狀態(tài)參如果它的宏觀性質(zhì)不A創(chuàng)工)把一定質(zhì)量的氣體裝在一給定體積的容器中，經(jīng)過一段時間以后， 容器中各部分氣體的壓強P相等、溫度T相同，單位體積中的分子數(shù)也 相同。此時氣體的三個物態(tài)參量都具有確定的值。如果容器中的氣體與 外界之間沒有能量和物質(zhì)的傳遞，氣體分子的

7、能量也沒有轉(zhuǎn)化為其它形 式的能量，氣體的組成及其質(zhì)量均不隨時間變化，則氣體的物態(tài)參量將 不隨時間而變化，這樣的狀態(tài) 再隨時間變化，我們就說這個系統(tǒng)處于熱力學平衡態(tài)。反之， 量也就是說，經(jīng)過一段較長的時間后，氣體(1)容器中各部分氣體的壓強p相等、溫度T相同。的物態(tài)參量都具有確定的值。(2 )容器中的氣體與 外界之間沒有能量和物質(zhì)的傳遞(3)氣體的能量也沒有 轉(zhuǎn)化為其他形式的能量， 氣體的組 成及其質(zhì)量均不隨時間而變化。平衡態(tài)：氣體的狀態(tài)參量(p、V、T)不隨時間變化的狀態(tài)。 說明：1) 平衡態(tài)是一個理想狀態(tài)；2) 系統(tǒng)處于平衡態(tài)時，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不變，但分子無規(guī)則運動并沒有停止。所以平衡態(tài) 是

8、一種動態(tài)平衡；3) 對于平衡態(tài)，可以用 PV圖上的一個點來表示。注意：只有近似的平衡態(tài)，沒有理想的平衡態(tài)；但以后研究的氣體狀態(tài)，若無特別聲明，都指平衡態(tài)。三、準靜態(tài)過程1熱力學過程1）概念：熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間變化的過程叫作熱力學過 程。例：推進活塞壓縮汽缸內(nèi)的氣體時，氣體的體積，密度， 溫度或壓強都將變化， 在過程中的任意時刻， 氣體各部分的密 度，壓強，溫度都不完全相同。2）分類：（1）按系統(tǒng)狀態(tài)的變化與外界有無關(guān)系自發(fā)過程 一一不借助外界的幫助，自動進行的過程 非自發(fā)過程一一在外界的幫助下進行的過程（2）按系統(tǒng)狀態(tài)的進行的特征等體過程體積不變等壓過程一一壓強不變等溫過程一一溫度不變絕熱

9、過程一一與外界無熱量交換（3 ）按系統(tǒng)變化的中間的狀態(tài)是否平衡態(tài)準靜態(tài)過程中間過程也是平衡態(tài)：quasi_static Process非準靜態(tài)過程中間過程不是平衡態(tài)：Non Equilibrium state非靜態(tài)過程一一顯然過程的發(fā)生，系統(tǒng)往往由一個平衡狀態(tài)到平衡受到破壞，再達到一個新的平衡態(tài)。從平衡態(tài)破壞到新平衡態(tài)建立所需的時間稱為弛豫時間，用t表示。實際發(fā)生的過程往往進行的較快，（如前例）在新的平衡態(tài)達到之前系統(tǒng)又繼續(xù)了下一步變化。這意味著系統(tǒng)在過程中經(jīng)歷了一系列非平衡態(tài)，這種過程為非靜態(tài)過程。作為中間態(tài)的非平衡態(tài)通常不能用狀態(tài)參量來描述。準靜態(tài)過程一一一個過程，如果任意時刻的中間態(tài)都無

10、限接近于一個平衡態(tài)，則此過程為準靜態(tài)過程。系 統(tǒng)在始末兩平衡態(tài) 之間所經(jīng)歷的 中間狀態(tài)為近似平衡態(tài) 的熱力學過 程。顯然，這種過程只有在進行的“無限緩慢”的條件下才可能實現(xiàn)。對于實際過程則要求系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的特征時間遠遠大于弛豫時間t才可近似看作準靜態(tài)過程。（可見為理想模型）顯然作為準靜態(tài)過程中間狀態(tài)的平衡態(tài)，具有確定的狀態(tài)參量值，對于簡單系統(tǒng)可用P V圖上的一點來表示這個平衡態(tài)。系統(tǒng)的準靜態(tài)變化過程可用p-V圖上的一條曲線表示，稱之為過程曲線。不難看出，準靜態(tài)過程是我們?yōu)榱搜芯繂栴}的方便而引進的一種理想的極 限，像前面我們所學習的理想氣體、質(zhì)點等等一樣。但作為熱力學的基礎(chǔ)，我們要首先著重討論它。而準靜態(tài)過程作為一種理想化的過程，是實際過程無限緩慢進行極限情形。當一個過程進行的時間比馳豫時間大得多時，可認為是準靜態(tài)過程。 例如，推進活塞壓縮氣缸中的氣體，馳豫時間為秒10-3秒。如果壓縮一次所用的時間為1秒，則可以認為是準靜態(tài)過程。 氣缸內(nèi)的氣體與外界的壓強相等。 另外還要注意的是沒有摩擦阻力的