熱力學(xué)的基本概念匯總

1、§4 1熱力學(xué)的基本觀點(diǎn)本節(jié)介紹一些基本觀點(diǎn)一一熱力學(xué)系統(tǒng) 均衡態(tài) 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。一、熱力學(xué)系統(tǒng)（ Thermodynamic System ）（系統(tǒng)）1.熱力學(xué)系統(tǒng)在熱力學(xué)中，把所要研究的對(duì)象，即由大批微觀粒子構(gòu)成的物體或物系統(tǒng)稱(chēng)為熱力學(xué)系統(tǒng)。在下一節(jié)中，將對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行詳盡的議論。外界環(huán)境（環(huán)境 ）：系統(tǒng)之外的物質(zhì)1）觀點(diǎn)：在熱力學(xué)中，把要研究的宏觀物體叫作熱力學(xué)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)，也稱(chēng)為工作物質(zhì)。 熱力學(xué)系統(tǒng)是由大批分子構(gòu)成的，能夠是固體、液體隨和體等。本章主要研究理想氣體。與熱力學(xué)系統(tǒng)互相作用的環(huán)境稱(chēng)為外界。2）熱力學(xué)系統(tǒng)的分類(lèi)：依據(jù)系統(tǒng)與外界能否有作功和熱量的互換，系統(tǒng)可分為：

2、一般系統(tǒng)：有功、有熱互換透熱系統(tǒng)：無(wú)功、有熱互換絕熱系統(tǒng)：有功、無(wú)熱互換關(guān)閉系統(tǒng)：無(wú)功、無(wú)熱互換（又稱(chēng)為孤立系統(tǒng)）關(guān)于均衡態(tài)的系統(tǒng)，能夠用壓強(qiáng)、溫度、體積來(lái)描繪系統(tǒng)的狀態(tài)。依據(jù)系統(tǒng)與外界能否有物質(zhì)和能量互換，系統(tǒng)可分為：孤立系統(tǒng)：無(wú)能量、無(wú)質(zhì)量互換isolated system關(guān)閉系統(tǒng)：有能量、無(wú)質(zhì)量互換closed system開(kāi)放系統(tǒng)：有能量、有質(zhì)量互換Open system絕熱系統(tǒng)：無(wú)能量互換adiabatic system二、均衡態(tài) 1.氣體的物態(tài)參量關(guān)于由大批分子構(gòu)成的必定量的氣體，具宏觀狀態(tài)能夠用體積V、壓強(qiáng)P和溫度T來(lái)描繪。描繪系統(tǒng)狀態(tài)變化的物理量稱(chēng)為氣體的物態(tài)參量。有體積（V）

3、、壓強(qiáng)（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(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)所能抵達(dá)的空間。關(guān)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：氣體的體積隨和體分子自己的體積的總和是不一樣的觀點(diǎn)。2）壓強(qiáng)（Pressure ） P力學(xué)參量壓強(qiáng)P是大批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遇到的正壓 力。定義式為FP立 S單位：（1） SI制帕斯卡 Pa 1Pa=1N m-2（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(biāo)準(zhǔn)大氣壓 1atm=76ch Hg=1.013 x

4、105Pa工程大氣壓9.80665 x 104Pa3）溫度（Temperature ） T熱力學(xué)參量溫度的觀點(diǎn)是比較復(fù)雜的，它的實(shí)質(zhì)與物質(zhì)分子的熱運(yùn)動(dòng)有親密的關(guān)系。溫度的高低反映分子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈程度。在宏觀上， 我們能夠用溫度來(lái)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(duì)一般系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，溫度是表征系統(tǒng)狀態(tài)的一個(gè)宏觀物理量。溫度的數(shù)值表示方法叫作溫標(biāo)(Thermometer Scale ),常用的有(1)熱力學(xué)溫標(biāo)( Absolute Scale ) T, SI 制單位：K(Kelvin)(2)攝氏溫標(biāo)(Celsius Scale ) t單位：0c00c水的三相點(diǎn)溫度(the Triple

5、point )0100 C 水的沸騰點(diǎn)溫度(3)華氏溫標(biāo)(Fahrenheit Scale ) F 單位 0F 032 C 水的三相點(diǎn)溫度 0212 C 水的沸騰點(diǎn)溫度關(guān)系： T=273.15+t9F - t 325溫度是熱學(xué)中獨(dú)有的物理量，它決定一系統(tǒng)能否與其余系統(tǒng)處于熱均衡。處于熱均衡的各系統(tǒng)溫度同樣。溫度是狀態(tài)的函數(shù)，在實(shí)質(zhì)上反應(yīng)了構(gòu)成系統(tǒng)大批微觀粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈程度。實(shí)驗(yàn)表示， 將幾個(gè)達(dá)到熱均衡狀態(tài)的系統(tǒng)分開(kāi)以后，其實(shí)不會(huì)改變每個(gè)系統(tǒng)的熱均衡狀態(tài)。這說(shuō)明，熱接觸不過(guò)為熱均衡的成立創(chuàng)建條件，每個(gè)系統(tǒng)熱均衡時(shí)的溫度僅決定于系統(tǒng)內(nèi)部大批微觀粒子無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。4)說(shuō)明：氣體的P、V、T是

6、描繪大批分子熱運(yùn)動(dòng)集體特點(diǎn)的物理量，是宏觀量，而氣體分子的 質(zhì)量、速度等是描繪個(gè)別分子運(yùn)動(dòng)的物理量，是微觀量。氣體動(dòng)理論就是依據(jù)假定的分子的模型，用統(tǒng)計(jì)的方法研究氣體宏觀現(xiàn)象的微觀實(shí)質(zhì)，成立起宏觀量和微觀量均勻值之間的關(guān)系。2.均衡態(tài)(Equilibrium State )把必定質(zhì)量的氣體裝在一給定體積的容器中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間此后，V容器中各部分氣體的壓強(qiáng)p相等、溫度t同樣，單位體積中的分子數(shù)也;nm同樣。此時(shí)氣體的三個(gè)物態(tài)參量都擁有確立的值。假如容器中的氣體與 外界之間沒(méi)有能量和物質(zhì)的傳達(dá)，氣體分子的能量也沒(méi)有轉(zhuǎn)變?yōu)槠溆嘈芜\(yùn)t m p ：式的能量，氣體的構(gòu)成及其質(zhì)量均不隨時(shí)間變化，則氣體的物態(tài)

7、參量將不隨時(shí)間而變化，這樣的狀態(tài)一個(gè)系統(tǒng)在不受外界影響的條件下,假如它的宏觀性質(zhì)不再隨時(shí)間變化， 我們就說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)處于熱力學(xué)均衡態(tài)。反之， 不一樣部分中，任何一個(gè)狀態(tài)參量也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)的時(shí)間后，導(dǎo) ""'(1)容器中各部分氣體的壓強(qiáng)p相等、溫度 T同樣。氣體的物態(tài)參量都擁有確立的值。(2)容器中的氣體與 外界之間沒(méi)有 能量和物質(zhì)的傳達(dá)。(3)氣體的能量也沒(méi)有 轉(zhuǎn)變 為其余形式的能量， 氣體的構(gòu)成及其質(zhì)量均不隨時(shí)間而變化。° 均衡態(tài)： 氣體的狀態(tài)參量 (p、V、T)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。說(shuō)明：1)均衡態(tài)是一個(gè)理想狀態(tài)；2)系統(tǒng)處于均衡態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的宏觀性

8、質(zhì)不變，但分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)弁無(wú)停止。因此均衡態(tài)是一種動(dòng)向均衡；3)關(guān)于均衡態(tài)，能夠用PV圖上的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示。注意：只有近似的均衡態(tài)，沒(méi)有理想的均衡態(tài)；但此后研究的氣體狀態(tài)，若無(wú)特別中明，都指均衡態(tài)。三、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程1.熱力學(xué)過(guò)程1)觀點(diǎn)：熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間變化的過(guò)程叫作熱力學(xué)過(guò)程。例：推動(dòng)活塞壓縮汽缸內(nèi)的氣體時(shí)，氣體的體積，密度， 溫度或壓強(qiáng)都將變化，在過(guò)程中的隨意時(shí)辰，氣體各部分的密度，壓強(qiáng)，溫度都不完整同樣。2)分類(lèi)：(1)按系統(tǒng)狀態(tài)的變化與外界有沒(méi)關(guān)系自覺(jué)過(guò)程一一不借助外界的幫助，自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程非自覺(jué)過(guò)程 一一在外界的幫助下進(jìn)行的過(guò)程(2)按系統(tǒng)狀態(tài)的進(jìn)行的特點(diǎn)等體過(guò)程體積不變等壓過(guò)程一

9、一壓強(qiáng)不變等溫過(guò)程一一溫度不變絕熱過(guò)程一一與外界無(wú)熱量互換(3)按系統(tǒng)變化的中間的狀態(tài)能否均衡態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中間過(guò)程也是均衡態(tài)：quasi_static Process非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中間過(guò)程不是均衡態(tài)：NonEquilibrium state非靜態(tài)過(guò)程 一一明顯過(guò)程的發(fā)生，系統(tǒng)常常由一個(gè)均衡狀態(tài)到均衡遇到損壞，再達(dá)到一個(gè)新的均衡態(tài)。從均衡態(tài)損壞到新均衡態(tài)成立所需的時(shí)間稱(chēng)為弛豫時(shí)間，用r表示。實(shí)際發(fā)生的過(guò)程常常進(jìn)行的較快，(如前例)在新的均衡態(tài)達(dá)到以前系統(tǒng)又持續(xù)了下一步變化。這意味著系統(tǒng)在過(guò)程中經(jīng)歷了一系列非均衡態(tài)，這類(lèi)過(guò)程為非靜態(tài)過(guò)程。作為 中間態(tài)的非均衡態(tài)往常不可以用狀態(tài)參量來(lái)描繪。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

10、一一 一個(gè)過(guò)程，假如隨意時(shí)辰的中間態(tài)都無(wú)窮靠近于一個(gè)均衡態(tài)，則此過(guò)程為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。系 統(tǒng)在 始末兩均衡態(tài) 之間所經(jīng)歷的 中間狀態(tài)為近似均衡態(tài) 的熱力學(xué)過(guò)程。 明顯，這類(lèi)過(guò)程只有在進(jìn)行的“無(wú)窮遲緩”的條件下才可能實(shí)現(xiàn)。關(guān)于實(shí)質(zhì)過(guò)程則要求系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的特點(diǎn)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弛豫時(shí)間T才可近似看作準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。(可見(jiàn)為理想模型)明顯作為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中間狀態(tài)的均衡態(tài)，擁有確立的狀態(tài)參量值，關(guān)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)可用P- V圖上的一點(diǎn)來(lái)表示這個(gè)均衡態(tài)。系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)變化過(guò)程可用p-V圖上的一條曲線(xiàn)表示，稱(chēng)之為過(guò)程曲線(xiàn)。 不難看出， 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是我們?yōu)榱搜芯繂?wèn)題的方便而引進(jìn)的一種理想的極 限，像前面我們所學(xué)習(xí)的理想氣體、質(zhì)點(diǎn)等等同樣。但作為熱力學(xué)的基礎(chǔ)，我們要第一側(cè)重議論它。而準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程作為一種理想化的過(guò)程，是實(shí)質(zhì)過(guò)程無(wú)窮遲緩進(jìn)行極限情形。當(dāng)一個(gè)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間比馳豫時(shí)間大得多時(shí)，可以為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。如，推動(dòng)活塞壓縮氣缸中的氣體，馳豫時(shí)間為秒10-3秒。假如壓縮一次所用的時(shí)間為1秒，則能夠以為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。氣缸內(nèi)的氣體與外界的壓強(qiáng)相等。此外還要注意的是沒(méi)有