熱力學核心知識

演講人：日期：熱力學核心知識目錄CONTENTS熱力學基本概念與定律熱力學第一定律與能量守恒熱力學第二定律與熵增加原理氣體動理論基礎(chǔ)知識梳理相變與臨界現(xiàn)象探討化學熱力學初步了解01熱力學基本概念與定律隔離系統(tǒng)與環(huán)境沒有物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)，其內(nèi)部狀態(tài)只能通過系統(tǒng)內(nèi)部的變化來改變。系統(tǒng)由大量微觀粒子（分子、原子等）組成的宏觀物體，其宏觀性質(zhì)可以通過狀態(tài)參量（如溫度、壓強、體積等）來描述。環(huán)境系統(tǒng)之外的所有物體，與系統(tǒng)之間可以有物質(zhì)和能量的交換。熱力學系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部各部分的狀態(tài)參量（如溫度、壓強、密度等）不隨時間發(fā)生變化的狀態(tài)。平衡態(tài)平衡態(tài)與非平衡態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各部分的狀態(tài)參量隨時間發(fā)生變化的狀態(tài)。非平衡態(tài)平衡態(tài)對于微小的擾動具有恢復能力，即當系統(tǒng)受到微小擾動后，能自動恢復到原來的平衡狀態(tài)。平衡態(tài)的穩(wěn)定性如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，那么這兩個系統(tǒng)之間也必然處于熱平衡。熱力學第零定律表示系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)的物理量，是熱平衡的標志。溫度利用熱力學第零定律測量溫度的工具，其工作原理是基于某種物質(zhì)的某種性質(zhì)隨溫度變化的特性。溫度計熱力學第零定律與溫度概念理想氣體狀態(tài)方程理想氣體假設(shè)氣體分子之間沒有相互作用力，分子體積可以忽略不計的氣體。理想氣體狀態(tài)方程描述一定量理想氣體在平衡態(tài)時，其狀態(tài)參量（壓強、體積、溫度）之間關(guān)系的方程。理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用可以用于計算理想氣體在狀態(tài)變化過程中的各種狀態(tài)參量，如等溫過程、等壓過程和等容過程等。02熱力學第一定律與能量守恒物體內(nèi)所有分子動能和勢能的總和，與物體的溫度和體積有關(guān)。內(nèi)能力作用于物體，導致物體位置改變時所做的功，是能量轉(zhuǎn)化的量度。功熱傳遞過程中所傳遞的能量多少，是物體之間由于溫度差異而發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移。熱量內(nèi)能、功和熱量定義及計算熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學系統(tǒng)中的應(yīng)用，它表明在一個熱力學過程中，系統(tǒng)內(nèi)能的增加等于外界對系統(tǒng)所做的功和系統(tǒng)從外界吸收的熱量之和。表述熱力學第一定律揭示了熱現(xiàn)象中內(nèi)能、功和熱量之間的定量關(guān)系，是能量守恒定律在熱力學領(lǐng)域的具體體現(xiàn)。理解熱力學第一定律表述與理解在只有重力做功的情況下，物體的機械能（動能和勢能）保持不變。機械能守恒在電磁場中，電場能和磁場能可以相互轉(zhuǎn)化，但總能量保持不變。電磁能守恒在核反應(yīng)中，反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損可以轉(zhuǎn)化為巨大的能量，但總能量仍然守恒。原子能守恒能量守恒在自然界中應(yīng)用舉例010203焓變在化學反應(yīng)過程中，反應(yīng)物和生成物的內(nèi)能差稱為焓變，是化學反應(yīng)中的能量變化?；瘜W反應(yīng)中的能量變化化學反應(yīng)通常伴隨著能量的吸收和釋放，表現(xiàn)為熱量的變化。這種能量變化可以通過焓變來量度，并符合能量守恒定律。焓變和化學反應(yīng)中能量變化關(guān)系03熱力學第二定律與熵增加原理熵增加原理自發(fā)過程總是朝著熵增加的方向進行，直至系統(tǒng)達到最大熵值。自由能變化自由能是判斷過程自發(fā)性的重要依據(jù)，當自由能降低時，過程自發(fā)進行。自發(fā)過程方向和限度判斷依據(jù)熵概念引入及物理意義解釋熵的定義熵是系統(tǒng)無序度的量度，表示系統(tǒng)微觀狀態(tài)數(shù)目的多少。熵是分子熱運動無序程度的度量，反映分子運動混亂程度。熵的微觀解釋系統(tǒng)熵增加意味著系統(tǒng)無序度增大，混亂程度增加。熵的宏觀表現(xiàn)克勞修斯不等式在任意可逆循環(huán)過程中，系統(tǒng)吸收的熱量與熱源溫度之比的積分值小于等于零。熵增加原理表述在孤立系統(tǒng)中，系統(tǒng)熵的總值永不減少，總是趨于增大或保持不變。熵增加原理的數(shù)學表達ΔS≥0，其中ΔS表示系統(tǒng)熵的變化?？藙谛匏共坏仁胶挽卦黾釉肀硎鐾ㄟ^消耗外部功，將低溫熱源的熱量傳遞給高溫環(huán)境，實現(xiàn)制冷效果。制冷機工作原理通過消耗外部功，將低溫熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境，實現(xiàn)制熱效果。熱泵工作原理制冷與熱泵循環(huán)包括壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)四個過程，通過工質(zhì)的狀態(tài)變化實現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移。制冷與熱泵的循環(huán)過程實際應(yīng)用：制冷機、熱泵工作原理介紹04氣體動理論基礎(chǔ)知識梳理01物質(zhì)由大量分子組成氣體由大量分子組成，分子間的距離遠大于分子本身的尺寸。分子永不停息地做無規(guī)則運動氣體分子處于永不停息的無規(guī)則運動中，其運動速度大小和方向不斷變化。分子間存在相互作用力氣體分子間存在相互作用的引力和斥力，但引力和斥力都隨分子間距離的增大而迅速減小。分子運動論基本觀點回顧0203理想氣體壓強微觀解釋氣體的壓強是由大量分子對容器壁的頻繁碰撞產(chǎn)生的，分子平均動能越大，碰撞越頻繁，壓強越大。理想氣體溫度微觀解釋溫度是分子平均動能的標志，溫度越高，分子平均動能越大，分子熱運動越劇烈。理想氣體壓強、溫度微觀解釋在一定溫度下，氣體分子的速度分布是確定的，且大多數(shù)分子的速度接近平均速度，只有極少數(shù)分子的速度很大或很小。麥克斯韋速度分布律麥克斯韋速度分布律揭示了氣體分子速度分布的統(tǒng)計規(guī)律，為氣體動理論的實驗驗證提供了重要依據(jù)。物理意義麥克斯韋速度分布律及其物理意義玻爾茲曼分布律在溫度一定的情況下，系統(tǒng)中粒子按能量大小以一定的概率分布，能量低的粒子占的粒子數(shù)多，能量高的粒子占的粒子數(shù)少。在統(tǒng)計物理中的應(yīng)用玻爾茲曼分布律是統(tǒng)計物理的基本定律之一，廣泛應(yīng)用于研究粒子系統(tǒng)的熱平衡態(tài)、漲落現(xiàn)象等。玻爾茲曼分布律在統(tǒng)計物理中應(yīng)用05相變與臨界現(xiàn)象探討汽化與液化物質(zhì)從液態(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為汽化，氣態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為液化。汽化過程吸熱，液化過程放熱。固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)轉(zhuǎn)變物質(zhì)在不同條件下會以固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)存在，其轉(zhuǎn)變過程涉及能量吸收或釋放。熔化與凝固物質(zhì)從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為熔化，液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為凝固。熔化過程吸熱，凝固過程放熱。物質(zhì)三態(tài)變化條件及特征分析當物質(zhì)接近臨界點時，其性質(zhì)會發(fā)生顯著變化，如密度、折射率、導熱率等。臨界現(xiàn)象每種物質(zhì)都有其獨特的臨界溫度和臨界壓力，超過這些值，物質(zhì)將發(fā)生相變。臨界溫度與臨界壓力臨界現(xiàn)象在工業(yè)和科學研究中有廣泛應(yīng)用，如超臨界流體萃取、超臨界鍋爐等。臨界點的應(yīng)用臨界點附近物質(zhì)性質(zhì)異?，F(xiàn)象描述010203超導、超流等臨界現(xiàn)象簡介超導現(xiàn)象某些物質(zhì)在極低溫度下電阻突然消失，電流可以在其中無損耗地流動。超流現(xiàn)象臨界現(xiàn)象與量子效應(yīng)在極低溫下，某些液體會表現(xiàn)出超流特性，如液氦在超低溫下可以流過極細的管道而不損失能量。超導和超流等臨界現(xiàn)象與量子效應(yīng)密切相關(guān)，是量子力學在宏觀尺度上的表現(xiàn)。相圖表示物質(zhì)在不同溫度、壓力下的相態(tài)變化，是材料設(shè)計和制備的重要依據(jù)。杠桿規(guī)則在相圖中，利用杠桿原理可以計算不同相之間的比例和組成，從而優(yōu)化材料性能。相圖在材料制備中的應(yīng)用通過相圖可以預測材料在不同條件下的相變行為，從而指導材料的制備和加工過程。相圖和杠桿規(guī)則在材料科學中應(yīng)用06化學熱力學初步了解化學反應(yīng)中的能量守恒化學反應(yīng)中的能量不能被創(chuàng)造或消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式?；瘜W鍵與能量化學反應(yīng)中的化學鍵斷裂需要吸收能量，形成化學鍵則釋放能量，這是化學反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化的主要途徑。反應(yīng)熱與焓變反應(yīng)熱是化學反應(yīng)過程中放出或吸收的熱量，焓變則是系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)的變化，兩者在恒壓條件下相等?；瘜W反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化關(guān)系剖析在標準狀態(tài)下，單位物質(zhì)的量的純物質(zhì)完全燃燒時放出的熱量。標準摩爾生成焓在恒壓條件下，化學反應(yīng)的熱效應(yīng)，即反應(yīng)物和生成物之間的焓差。反應(yīng)焓在恒壓條件下，焓變等于反應(yīng)熱，可用于計算化學反應(yīng)的熱效應(yīng)。焓變與反應(yīng)熱的關(guān)系標準摩爾生成焓、反應(yīng)焓等概念引入蓋斯定律在化學計算中運用技巧分享蓋斯定律的內(nèi)容在條件不變的情況下，一個化學反應(yīng)的熱效應(yīng)只與反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，與反應(yīng)途徑無關(guān)。利用蓋斯定律計算反應(yīng)熱通過已知的熱化學方程式，可以計算未知的熱化學方程式中的反應(yīng)熱。蓋斯定律的應(yīng)用范圍適用于恒