《熱力學函數及應用》課件

熱力學函數及應用歡迎來到《熱力學函數及應用》課程。本課程將深入探討熱力學的核心概念和實際應用。我們將從基礎知識開始，逐步深入到復雜的熱力學函數及其在各領域的應用。導言課程概述本課程將詳細介紹熱力學函數及其在各種工程和科學領域中的應用。學習目標掌握熱力學基本概念，理解熱力學函數的物理意義，能夠應用熱力學原理解決實際問題。課程結構從基礎知識開始，逐步深入到復雜應用，包括相平衡、化學平衡和電化學等領域。熱力學基礎知識回顧1熱力學第一定律能量守恒定律，系統(tǒng)內能的變化等于系統(tǒng)吸收的熱量與對外做功之差。2熱力學第二定律熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體，引入熵的概念。3熱力學第三定律當溫度接近絕對零度時，物質的熵趨近于零。內能定義內能是系統(tǒng)中所有粒子動能和勢能的總和，是熱力學的重要狀態(tài)函數。特點內能只依賴于系統(tǒng)的當前狀態(tài)，與系統(tǒng)到達該狀態(tài)的途徑無關。應用內能在熱力學計算中廣泛應用，如計算系統(tǒng)吸收或釋放的熱量。熱容量定義熱容量是物質升高單位溫度所需的熱量，反映了物質儲存熱能的能力。分類包括定容熱容量（Cv）和定壓熱容量（Cp），兩者在數值上有所不同。應用熱容量在熱量計算、材料選擇和熱設備設計中具有重要應用。測量方法通過量熱器測定，或利用聲速測量等間接方法獲得。熵1熵的定義系統(tǒng)無序程度的度量2熵增原理孤立系統(tǒng)總熵永不減少3熵與可逆過程dS=δQ/T4熵與不可逆過程dS>δQ/T5熵與信息理論熵作為信息量的度量焓狀態(tài)函數焓是系統(tǒng)的內能與壓力和體積乘積之和，H=U+PV。焓變等壓過程中，焓變等于系統(tǒng)吸收的熱量，ΔH=Q。工業(yè)應用焓在化工、冶金等行業(yè)的熱量計算中廣泛應用。吉布斯自由能定義吉布斯自由能G是系統(tǒng)的焓H減去溫度T與熵S的乘積，G=H-TS。物理意義表示系統(tǒng)在恒溫恒壓下能夠用來做有用功的最大能量。平衡條件在恒溫恒壓下，系統(tǒng)達到平衡時，吉布斯自由能達到最小值。應用用于判斷化學反應的自發(fā)性和確定相平衡條件。麥克斯韋關系關系式物理意義(?T/?V)S=-(?P/?S)V溫度對體積的偏導數與壓力對熵的偏導數之間的關系(?T/?P)S=(?V/?S)P溫度對壓力的偏導數與體積對熵的偏導數之間的關系(?S/?V)T=(?P/?T)V熵對體積的偏導數與壓力對溫度的偏導數之間的關系(?S/?P)T=-(?V/?T)P熵對壓力的偏導數與體積對溫度的偏導數之間的關系熱力學定律和應用1第一定律能量守恒，應用于熱機效率計算。2第二定律熵增原理，應用于過程自發(fā)性判斷。3第三定律絕對零度不可達，應用于低溫物理研究。4綜合應用熱力學定律在工程設計和科學研究中的綜合運用。熱量計算實例100kJ反應熱計算某化學反應的標準反應熱。50°C溫度變化計算加熱過程中系統(tǒng)的溫度變化。200J/g比熱容測定未知物質的比熱容。80%熱效率計算熱機的理論最大效率。相平衡分析熱力學條件相平衡要求系統(tǒng)的溫度、壓力和化學勢在各相中相等。相律吉布斯相律：F=C-P+2，其中F為自由度，C為組分數，P為相數。應用相平衡分析在材料科學、化學工程等領域有廣泛應用。相圖相圖是描述物質在不同溫度、壓力或成分條件下相態(tài)的圖形表示。它們在材料科學、冶金學和化學工程中有重要應用?；瘜W勢定義化學勢是描述物質在熱力學系統(tǒng)中的擴散傾向的量，由吉布斯自由能對物質量的偏導數給出。物理意義反映物質從高化學勢區(qū)域向低化學勢區(qū)域轉移的趨勢。平衡條件系統(tǒng)達到平衡時，各相中同一組分的化學勢相等。應用用于分析化學反應、相變和擴散過程?；瘜W平衡1平衡常數K=exp(-ΔG°/RT)2勒夏特列原理平衡會抵抗外界變化3溫度影響溫度升高，平衡向吸熱方向移動4濃度影響增加反應物濃度，平衡向產物方向移動電化學勢定義電化學勢是帶電粒子在電化學系統(tǒng)中的化學勢。計算μ=μ°+RTln(a)+zFφ，其中a為活度，z為電荷數，F為法拉第常數，φ為電勢。應用用于分析電池、電解和腐蝕等電化學過程。電化學平衡能斯特方程E=E°-(RT/nF)ln(Q)，描述電極電勢與反應商的關系。平衡條件電化學電池中，陽極和陰極的電化學勢相等。電池電動勢電池開路電壓等于陰極和陽極標準電極電勢之差。應用用于設計電池、預測電化學反應方向和程度。表面熱力學表面張力液體表面的收縮趨勢，與表面自由能密切相關。表面吉布斯自由能G=γA，其中γ為表面張力，A為表面積。應用在潤濕、粘附、毛細現象等領域有重要應用。膜分離過程1滲透溶劑通過半透膜從低濃度溶液向高濃度溶液自發(fā)移動的過程。2反滲透通過施加壓力，使溶劑從高濃度溶液向低濃度溶液移動。3超濾利用壓力差和特定孔徑的膜分離大分子物質。4電滲析利用電場力和選擇性透過膜分離離子。吸附過程物理吸附通過范德華力或靜電力將分子吸附在固體表面，吸附熱較小?；瘜W吸附通過化學鍵將分子吸附在固體表面，吸附熱較大。吸附等溫線描述在恒溫條件下，吸附量與壓力或濃度的關系。催化反應1吸附反應物分子吸附在催化劑表面。2活化吸附的分子被活化，降低反應活化能。3表面反應活化的分子在催化劑表面發(fā)生反應。4脫附反應產物從催化劑表面脫離。相變過程1相變類型固-液-氣轉變2潛熱相變過程中吸收或釋放的熱量3克拉伯龍方程dP/dT=ΔH/(TΔV)4相變動力學核形成和生長過程5應用材料加工、熱管理等流體力學伯努利方程描述流體沿流線運動時壓力、速度和高度之間的關系。粘性流動考慮流體內部摩擦力的流動，如泊肅葉流動。熱力學聯系流體流動過程中的能量轉換和熵產生。傳熱過程熱傳導通過物質內部分子運動傳遞熱量，遵循傅里葉定律。對流換熱通過流體流動傳遞熱量，遵循牛頓冷卻定律。熱輻射通過電磁波傳遞熱量，遵循斯特藩-玻爾茲曼定律。相變傳熱沸騰液體變?yōu)闅怏w的過程，涉及核態(tài)沸騰和膜態(tài)沸騰。凝結氣體變?yōu)橐后w的過程，包括膜狀凝結和滴狀凝結。熔化與凝固固體和液體之間的相變，涉及潛熱的吸收或釋放。應用在制冷、空調和熱管理系統(tǒng)中廣泛應用?；瘜W反應熱定義化學反應過程中吸收或釋放的熱量。赫斯定律反應熱與反應路徑無關，只與初態(tài)和終態(tài)有關。標準生成熱在標準狀態(tài)下，由單質生成1摩爾化合物的反應熱。應用用于計算未知反應的反應熱和預測反應的熱效應。相變焓相變類型焓變示例熔化吸熱冰融化成水氣化吸熱水蒸發(fā)成水蒸氣凝固放熱水凝固成冰凝結放熱水蒸氣冷凝成水升華吸熱干冰直接變成氣態(tài)CO2反應自發(fā)性判定1吉布斯自由能變ΔG<0，反應自發(fā)進行2熵變ΔS>0，有利于反應自發(fā)進行3溫度影響影響熵項在自由能變中的貢獻4平衡常數K>1，反應趨向于生成產物自由能變化與平衡常數標準自由能變ΔG°=-RTlnK，其中R為氣體常數，T為絕對溫度，K為平衡常數。平衡常數與溫度根據范特霍夫方程，溫度升高時，吸熱反應的K增大，放熱反應的K減小。應用通過測定平衡常數來計算標準自由能變，或通過熱力學數據預測平衡常數。燃料電池原理通過電化學反應直接將化學能轉化為電能的裝置。優(yōu)點高效率、低污染、靜音運行。