物化材料熱力學(xué)基礎(chǔ)PPT課件

1、第一章 熱 力 學(xué) 基 礎(chǔ)熱力學(xué)的研究對象1.研究熱、功和其他形式能量之間的相互轉(zhuǎn)換及 其轉(zhuǎn)換過程中所遵循的規(guī)律；2.研究各種物理變化和化學(xué)變化過程中所發(fā)生的能量效應(yīng)；3.研究化學(xué)變化的方向和限度。第1頁/共30頁熱力學(xué)方法1.研究對象是大數(shù)量分子的集合體，研究宏觀性質(zhì)，所得結(jié)論具有統(tǒng)計意義。2.只考慮變化前后的凈結(jié)果，不考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理。3.能判斷變化能否發(fā)生以及進(jìn)行到什么程度，但不考慮變化所需要的時間。局限性不知道反應(yīng)的機(jī)理、速率和微觀性質(zhì)，只講可能性，不講現(xiàn)實性。第2頁/共30頁1.1 1.1 熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)的研究對象熱力學(xué)的方法和局限性幾個基本概念： 系統(tǒng)與環(huán)境 系統(tǒng)

2、的分類熱力學(xué)平衡態(tài)狀態(tài)函數(shù)系統(tǒng)的性質(zhì)狀態(tài)方程第3頁/共30頁熱力學(xué)的研究對象熱力學(xué)的研究對象 1）研究熱、功和其他形式能量之間的相互轉(zhuǎn)換及其轉(zhuǎn)換過程中所遵循的規(guī)律； 2）研究各種物理變化和化學(xué)變化過程中所發(fā)生的能量效應(yīng)； 3）研究化學(xué)變化的方向和限度。第4頁/共30頁熱力學(xué)的方法和局限性熱力學(xué)的方法和局限性 熱力學(xué)方法 研究對象是大數(shù)量分子的集合體，研究宏觀性質(zhì)，所得結(jié)論具有統(tǒng)計意義。 只考慮變化前后的凈結(jié)果，不考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理。 能判斷變化能否發(fā)生以及進(jìn)行到什么程度，但不考慮變化所需要的時間。 局限性不知道反應(yīng)的機(jī)理、速率和微觀性質(zhì)，只講可能性，不講現(xiàn)實性。第5頁/共30頁1.1

3、.系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)與環(huán)境 系統(tǒng)在科學(xué)研究時必須先確定研究對象，把一部分物質(zhì)與其余分開，這種分離可以是實際的，也可以是想象的。這種被劃定的研究對象稱為系統(tǒng)，亦稱為物系或體系。 環(huán)境與系統(tǒng)密切相關(guān)、有相互作用或影響所能及的部分稱為環(huán)境。第6頁/共30頁2.2.系統(tǒng)分類系統(tǒng)分類（1）敞開系統(tǒng)系統(tǒng)與環(huán)境之間既有物質(zhì)交換，又有能量交換。（2）封閉系統(tǒng) 系統(tǒng)與環(huán)境之間無物質(zhì)交換，但有能量交換。（3）孤立體系統(tǒng) 系統(tǒng)與環(huán)境之間既無物質(zhì)交換，又無能量交換，故又稱為隔離系統(tǒng)。有時把封閉系統(tǒng)和系統(tǒng)影響所及的環(huán)境一起作為孤立系統(tǒng)來考慮。第7頁/共30頁第8頁/共30頁2.2.系統(tǒng)的性質(zhì)系統(tǒng)的性質(zhì) 用宏觀可測性質(zhì)來描述

4、系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)，故這些性質(zhì)又稱為熱力學(xué)變量。如： 理想氣體的P、V、T、n等。 描述熱力學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)分為： 廣度性質(zhì)又稱為容量性質(zhì)，它的數(shù)值與體系的物質(zhì)的量成正比，如體積、質(zhì)量、熵等。這種性質(zhì)有加和性，在數(shù)學(xué)上是一次齊函數(shù)。第9頁/共30頁 強(qiáng)度性質(zhì) 它的數(shù)值取決于系統(tǒng)自身的特點，與系統(tǒng)的數(shù)量無關(guān)，不具有加和性，如溫度、壓力等。它在數(shù)學(xué)上是零次齊函數(shù)。指定了物質(zhì)的量的容量性質(zhì)即成為強(qiáng)度性質(zhì)，如摩爾熱容。兩者的關(guān)系：廣延性質(zhì)的摩爾量是強(qiáng)度性質(zhì)，如摩爾體積m等。第10頁/共30頁3.3.熱力學(xué)平衡態(tài)熱力學(xué)平衡態(tài) 當(dāng)體系的諸性質(zhì)不隨時間而改變，則系統(tǒng)就處于熱力學(xué)平衡態(tài)，它包括下列幾個平衡： 熱平衡

5、 體系各部分溫度相等。 力學(xué)平衡 體系各部的壓力都相等，邊界不再移動。如有剛壁存在，雖雙方壓力不等，但也能保持力學(xué)平衡。 相平衡 多相共存時，各相的組成和數(shù)量不隨時間而改變。化學(xué)平衡 反應(yīng)體系中各物的數(shù)量不再隨時間而改變。第11頁/共30頁4.4.狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)體系的一些性質(zhì)，其數(shù)值僅取決于體系所處的狀態(tài)，而與體系的歷史無關(guān)；它的變化值僅取決于體系的始態(tài)和終態(tài)，而與變化的途徑無關(guān)。具有這種特性的物理量稱為狀態(tài)函數(shù)。 （與狀態(tài)函數(shù)對應(yīng)的是途徑函數(shù)）狀態(tài)函數(shù)在數(shù)學(xué)上具有全微分的性質(zhì)。第12頁/共30頁狀態(tài)方程狀態(tài)方程系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)之間的定量關(guān)系式稱為狀態(tài)方程。對于一定量的單組分均勻系統(tǒng)，狀態(tài)函數(shù)T

6、,p,V 之間有一定量的聯(lián)系。經(jīng)驗證明，只有兩個是獨立的，它們的函數(shù)關(guān)系可表示為： T=f（p,V） p=f（T,V）V=f（p,T）例如，理想氣體的狀態(tài)方程可表示為： PV=n RT第13頁/共30頁5.過程和途徑過程和途徑 系統(tǒng)從某一狀態(tài)變化到另一狀態(tài)的經(jīng)歷，稱為過程。而實驗這個過程的具體步驟稱為途徑。熱力學(xué)過程： 等溫過程：變化過程中始終有1 = T2=T(環(huán)) 等壓過程：變化過程中始終有 (始) = (終) = (環(huán)) = 常數(shù)； 僅僅是(終) = (環(huán)) = 常數(shù)，為恒外壓過程。等容過程，絕熱過程，循環(huán)過程，可逆過程等第14頁/共30頁1.2 1.2 熱力學(xué)第一定律 熱、功和熱力學(xué)能

7、 熱功當(dāng)量 能量守恒定律 第一定律的文字表述 第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式第15頁/共30頁熱、功和熱力學(xué)能熱、功和熱力學(xué)能1.熱 體系與環(huán)境之間因溫差而傳遞的能量稱為熱，用符號Q 表示。 Q的取號： 體系吸熱，Q0；體系放熱，Q0；體系對環(huán)境作功，W0 Q和W都不是狀態(tài)函數(shù)，其數(shù)值與變化途徑有關(guān)。第16頁/共30頁3.熱力學(xué)能 以前稱為內(nèi)能,它是指體系內(nèi)部能量的總和，包括分子運(yùn)動的平動能、分子內(nèi)的轉(zhuǎn)動能、振動能、電子能、核能以及各種粒子之間的相互作用位能等。 熱力學(xué)能是狀態(tài)函數(shù)，用符號U表示，它的絕對值無法測定，只能求出它的變化值。熱功當(dāng)量焦耳（Joule）和邁耶(Mayer)自1840年起，歷經(jīng)2

8、0多年，用各種實驗求證熱和功的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到的結(jié)果是一致的。 即： 1 cal = 4.1840 J這就是著名的熱功當(dāng)量，為能量守恒原理提供了科學(xué)的實驗證明。第17頁/共30頁能量守恒定律能量守恒定律到1850年，科學(xué)界公認(rèn)能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律之一。能量守恒與轉(zhuǎn)化定律可表述為：自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種不同形式，能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但在轉(zhuǎn)化過程中，能量的總值不變。第18頁/共30頁第一定律的文字表述第一定律的文字表述 熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)所具有的特殊形式，說明熱力學(xué)能、熱和功之間可以相互轉(zhuǎn)化，但總的能量不變。也可以表述為：第一類永動

9、機(jī)是不可能制成的。第一定律是人類經(jīng)驗的總結(jié)。第19頁/共30頁 第一類永動機(jī)一種既不靠外界提供能量，本身也不減少能量，卻可以不斷對外作功的機(jī)器稱為第一類永動機(jī)，它顯然與能量守恒定律矛盾。歷史上曾一度熱衷于制造這種機(jī)器，均以失敗告終，也就證明了能量守恒定律的正確性。第20頁/共30頁熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)推導(dǎo)： 隔離系統(tǒng)能量守恒： +-()=0 小的封閉系統(tǒng)： = 或 dU=Q +W因為熱力學(xué)能是狀態(tài)函數(shù)，數(shù)學(xué)上具有全微分性質(zhì)，微小變化可用dU表示；Q和W不是狀態(tài)函數(shù)，微小變化用表示，以示區(qū)別。第21頁/共30頁焓為什么要定義焓？ 為了使用方便，因為在等壓、不作非膨脹功的條件下，焓變等于等壓熱效應(yīng)

10、。 容易測定，從而可求其它熱力學(xué)函數(shù)的變化值。pQpQ第22頁/共30頁焓的導(dǎo)出恒容熱（QV）恒容過程體積功W為零，由第一定律表達(dá)式可得：恒壓熱（Qp）恒壓過程體積功為：U UQ QU UU UU UQ QV V1 12 2V Vd d 及及 W=-peV=-p(V2-V1) = -(p2V2-p1V1)第23頁/共30頁對恒壓過程應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，可得: (dp = 0，W=0)焓的導(dǎo)出： 定義 H=U+pV 于是： Qp=H2 H1=H 或 Qp=dH (dp = 0，W= 0）焓是狀態(tài)函數(shù)。)()()(1112221122VpUVpUVpVpUWUQp第24頁/共30頁焓：H ，單位：J或kJ，是狀態(tài)函數(shù)焓不是能量 雖然具有能量的單位，但不遵守能量守恒定律。焓無法求得具體值，但應(yīng)該會比較焓的大小如何比較？焓變： )(pVUHVdPpdVdUdH第25頁/共30頁熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用Gay-Lussac-Joule實驗蓋呂薩克1807年，焦耳在1843年分別做了如下實驗：將兩個容量相等的容器，放在水浴中，左球充滿氣體，右球為真空（如圖所示）。第26頁/共30頁打開活塞，氣體由左球沖入右球，達(dá)平衡（如圖所示）。水浴溫度沒有變化，即Q=0；由于體系的體積取兩個球的總和，所以體系沒有對外做功，W=0；根據(jù)熱力學(xué)第一定律得該過程的 。0U第