熱力學基礎(chǔ)要點課件

熱力學基礎(chǔ)要點課件目錄熱力學基本概念熱力學第一定律熱力學第二定律理想氣體及其熱力學過程相變與相平衡條件化學平衡及其在熱力學中應(yīng)用非平衡態(tài)熱力學簡介01熱力學基本概念系統(tǒng)環(huán)境閉口系統(tǒng)開口系統(tǒng)系統(tǒng)與環(huán)境01020304被研究的對象，可以是一定質(zhì)量的氣體、液體或固體等，用邊界與外界隔開。系統(tǒng)以外的部分，與系統(tǒng)通過邊界進行相互作用，可以是其他物體或外界空間等。系統(tǒng)與外界只有能量交換而無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)中所有宏觀性質(zhì)的綜合表現(xiàn)，可以用一組物理量來完全描述。狀態(tài)描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，其值只與系統(tǒng)的狀態(tài)有關(guān)而與過程無關(guān)，如溫度、壓力、體積、內(nèi)能等。狀態(tài)函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學表達式，如理想氣體的狀態(tài)方程PV=nRT。狀態(tài)方程狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)熱平衡兩個相互作用的系統(tǒng)，在不受外界影響的情況下，它們的溫度達到相等并且不再改變的狀態(tài)，此時它們之間沒有熱量的傳遞。平衡態(tài)系統(tǒng)不受外界影響時，其宏觀性質(zhì)不隨時間改變的狀態(tài)，包括熱平衡、力學平衡和化學平衡等。熱力學第零定律如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則它們之間也必定處于熱平衡。平衡態(tài)與熱平衡02熱力學第一定律熱力學能是系統(tǒng)內(nèi)部所有微觀粒子運動能量的總和，用符號U表示。定義狀態(tài)函數(shù)能量守恒熱力學能是狀態(tài)函數(shù)，只與系統(tǒng)的狀態(tài)有關(guān)，與過程無關(guān)。熱力學能的變化量等于系統(tǒng)從外界吸收的熱量與外界對系統(tǒng)做功之和，即ΔU=Q+W。030201熱力學能熱量是熱傳遞過程中傳遞的能量，用符號Q表示，單位為焦耳（J）。熱量功是力在力的方向上移動的距離與力的乘積，用符號W表示，單位為焦耳（J）。功系統(tǒng)從外界吸收熱量時，Q>0；系統(tǒng)向外界放出熱量時，Q<0。外界對系統(tǒng)做功時，W>0；系統(tǒng)對外界做功時，W<0。符號規(guī)定熱量與功表達式ΔU=Q+W。其中ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能的變化量，Q為系統(tǒng)從外界吸收的熱量，W為外界對系統(tǒng)做的功。應(yīng)用舉例理想氣體等容過程、等壓過程、等溫過程和絕熱過程。在這些過程中，可以利用第一定律求解系統(tǒng)內(nèi)能的變化、吸放熱情況以及做功情況。例如，在等容過程中，氣體體積不變，外界對氣體不做功，因此系統(tǒng)內(nèi)能的變化等于氣體從外界吸收的熱量。第一定律表達式及應(yīng)用03熱力學第二定律可逆過程與不可逆過程可逆過程是指系統(tǒng)經(jīng)過某一過程后，可以沿原路徑完全恢復(fù)原狀，而不引起外界任何變化；不可逆過程是指系統(tǒng)經(jīng)過某一過程后，無法沿原路徑完全恢復(fù)原狀，且會引起外界變化。自然過程的方向性自然過程總是沿著不可逆的方向進行，即從有序向無序、從高能量向低能量、從高溫向低溫進行。自然過程方向性由兩個可逆的等溫過程和兩個可逆的絕熱過程組成的理想循環(huán)，是熱機效率最高的循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)卡諾熱機的效率只取決于熱源和冷源的溫度，而與工作物質(zhì)無關(guān)?？ㄖZ熱機效率逆向操作的卡諾循環(huán)可作為制冷機，其制冷系數(shù)也只取決于熱源和冷源的溫度?？ㄖZ制冷機卡諾循環(huán)與效率開爾文表述不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響。第二定律的應(yīng)用用于判斷過程是否可逆、計算熱機效率和制冷系數(shù)、分析能量轉(zhuǎn)換的方向和限度等?？藙谛匏贡硎霾豢赡馨褵崃繌牡蜏匚矬w傳向高溫物體而不引起其他變化。第二定律表達式及應(yīng)用04理想氣體及其熱力學過程03理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，其中n為摩爾數(shù)，R為氣體常數(shù)。01理想氣體模型忽略分子間引力和體積，分子間無規(guī)則碰撞，滿足玻爾茲曼分布。02狀態(tài)參量溫度T、體積V、壓強p，以及內(nèi)能U。理想氣體狀態(tài)方程123體積不變，壓強與溫度成正比，內(nèi)能隨溫度變化。等容過程壓強不變，體積與溫度成正比，內(nèi)能隨溫度變化。等壓過程溫度不變，壓強與體積成反比，內(nèi)能不變。等溫過程理想氣體等容、等壓、等溫過程分析系統(tǒng)與外界無熱量交換，內(nèi)能僅通過功的方式改變。壓強與體積的關(guān)系滿足pV^n=C（C為常數(shù)），當n=1時為等容過程，n=∞時為等壓過程。絕熱過程及多方過程簡介多方過程絕熱過程05相變與相平衡條件根據(jù)物質(zhì)狀態(tài)可分為氣-液、氣-固、液-固、液-液等相變類型。相變分類相變時體積變化、潛熱吸收或放出、界面能變化等。相變特點相變分類及特點由相平衡線和臨界點等構(gòu)成，表示不同溫度和壓力下物質(zhì)的相平衡狀態(tài)。相圖構(gòu)成可用于研究物質(zhì)的三態(tài)變化、溶解度、升華、凝華等現(xiàn)象，指導(dǎo)實際生產(chǎn)和實驗研究。相圖應(yīng)用單組分系統(tǒng)相圖分析相圖復(fù)雜性多組分系統(tǒng)中，組分間相互作用導(dǎo)致相圖更加復(fù)雜，存在多個相平衡線和臨界點等。相圖應(yīng)用可用于研究合金、溶液等復(fù)雜系統(tǒng)的相平衡和相變規(guī)律，指導(dǎo)材料制備和工藝優(yōu)化。多組分系統(tǒng)相圖簡介06化學平衡及其在熱力學中應(yīng)用化學反應(yīng)進度表示通過反應(yīng)物質(zhì)的量或反應(yīng)程度來衡量。吉布斯自由能與反應(yīng)進度的關(guān)系ΔG=ΔG°+RTlnQ，其中ΔG°為標準狀態(tài)下的吉布斯自由能變化，Q為反應(yīng)物和生成物的濃度比值。判斷反應(yīng)進行方向當ΔG<0時，反應(yīng)自發(fā)進行；當ΔG=0時，反應(yīng)達到平衡；當ΔG>0時，反應(yīng)逆向自發(fā)進行。化學反應(yīng)進度與吉布斯自由能變化關(guān)系升高溫度，平衡向吸熱方向移動；降低溫度，平衡向放熱方向移動。溫度對化學平衡的影響對于有氣體參與的反應(yīng)，增大壓力，平衡向氣體體積減小的方向移動；減小壓力，平衡向氣體體積增大的方向移動。壓力對化學平衡的影響溫度、壓力對化學平衡影響規(guī)律探討勒夏特列原理如果改變影響平衡的一個條件（如濃度、壓強或溫度等），平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動。勒夏特列原理應(yīng)用舉例合成氨反應(yīng)中，通過增大壓強和提高溫度來提高產(chǎn)率；酯化反應(yīng)中，通過加入過量的醇或酸來提高產(chǎn)率。勒夏特列原理及其應(yīng)用舉例07非平衡態(tài)熱力學簡介VS指系統(tǒng)內(nèi)部各部分的物理化學性質(zhì)不均勻，存在梯度、流動和變化的現(xiàn)象，如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量傳遞、電化學反應(yīng)等過程。非平衡態(tài)分類根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部不同的物理化學性質(zhì)和過程特點，非平衡態(tài)可分為近平衡態(tài)、遠離平衡態(tài)和非線性非平衡態(tài)等。非平衡態(tài)現(xiàn)象非平衡態(tài)現(xiàn)象和分類指在非平衡態(tài)下，系統(tǒng)內(nèi)部某些物理量的變化率與這些物理量偏離平衡態(tài)的程度成正比的過程，具有時間反演不對稱性和宏觀不可逆性。包括Onsager倒易關(guān)系、最小熵產(chǎn)生原理、漲落-耗散定理等，用于描述線性不可逆過程的熱力學性質(zhì)和規(guī)律。線性不可逆過程熱力學理論框架線性不可逆過程熱力學理論框架介紹耗散結(jié)構(gòu)指在非平