章一材料热力学-PPT--2012-3.2
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热力学全套课件pptx2024新版
物体通过电磁波的形式向外发射能量，同时吸收 其他物体发射的电磁波的现象。
辐射传热定律
基尔霍夫定律、普朗克定律、斯特藩-玻尔兹曼定 律等，描述了辐射传热的基本规律和特性。
辐射传热的应用
在太阳能利用、红外测温、激光技术等领域广泛 应用。
综合传热问题解决方法探讨
综合传热问题
涉及热传导、对流和辐射传热的复杂问题，需要考虑多种 传热机制的相互作用和影响。
03
开放系统
与外界既有能量交换，又有物 质交换的系统。
状态参量与平衡态
01
状态参量
描述系统状态的物理量，如体 积、压强、温度等。
系统在没有外界影响的条件下， 各部分的宏观性质不随时间变化
的状态。
02
平衡态
热力学第零定律与温度概念
热力学第零定律
如果两个系统与第三个系统各自 处于热平衡，则它们之间也必定 处于热平衡。
热力学全套课件pptx
目录
• 热力学基本概念与定律 • 热力学过程与循环 • 热力学第二定律与熵增原理 • 理想气体性质与应用 • 相变与化学反应热力学 • 热传导、对流和辐射传热机制剖析
01
热力学基本概念与定律
热力学系统及其分类
01
孤立系统
与外界没有物质和能量交换的 系统。
02
封闭系统
与外界只有能量交换，没有物 质交换的系统。
范德华方程的适用范围
适用于中低压、中低温条件下的真实气体行为描述。在高压或低温条件下，需要考虑更复 杂的分子间相互作用和量子效应。
05
相变与化学反应热力学
相平衡条件及相变潜热计算
相平衡条件
在相变过程中，物质各相之间达到平衡 状态的条件。包括温度、热计算
辐射传热定律
基尔霍夫定律、普朗克定律、斯特藩-玻尔兹曼定 律等，描述了辐射传热的基本规律和特性。
辐射传热的应用
在太阳能利用、红外测温、激光技术等领域广泛 应用。
综合传热问题解决方法探讨
综合传热问题
涉及热传导、对流和辐射传热的复杂问题，需要考虑多种 传热机制的相互作用和影响。
03
开放系统
与外界既有能量交换，又有物 质交换的系统。
状态参量与平衡态
01
状态参量
描述系统状态的物理量，如体 积、压强、温度等。
系统在没有外界影响的条件下， 各部分的宏观性质不随时间变化
的状态。
02
平衡态
热力学第零定律与温度概念
热力学第零定律
如果两个系统与第三个系统各自 处于热平衡，则它们之间也必定 处于热平衡。
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目录
• 热力学基本概念与定律 • 热力学过程与循环 • 热力学第二定律与熵增原理 • 理想气体性质与应用 • 相变与化学反应热力学 • 热传导、对流和辐射传热机制剖析
01
热力学基本概念与定律
热力学系统及其分类
01
孤立系统
与外界没有物质和能量交换的 系统。
02
封闭系统
与外界只有能量交换，没有物 质交换的系统。
范德华方程的适用范围
适用于中低压、中低温条件下的真实气体行为描述。在高压或低温条件下，需要考虑更复 杂的分子间相互作用和量子效应。
05
相变与化学反应热力学
相平衡条件及相变潜热计算
相平衡条件
在相变过程中，物质各相之间达到平衡 状态的条件。包括温度、热计算
材料热力学全套课件
2.1 熵和热力学第二定律6
热力学第二定律表达式 可逆过程 不可逆过程 热力学第二定律表述： 一个隔离体系的熵值总 是增加，直至平衡态
dS Qrev / T dS Q / T
2.2 熵的统计概念
熵作为体系“混乱程度”的量度 统计力学假设体系的平衡态只是各种可能 微观态中的最可几态。 玻耳兹曼公式（熵的一般表达式） S k ln 表达体系的熵值和它内部粒子混乱度Ω之间 的定量关系。在一定的总能量U、体积V和 粒子数n时，体系的混乱度越大，熵值越大。 当呈最可几态（ Ω最大 ），熵值最大，即 体系的平衡态。
a d
a b
H bc H cd
例1.2
H ab H bc
第二章 热力学第Βιβλιοθήκη 定律和第三定律
2.1 熵和热力学第二定律 2.2 熵的统计概念 2.3 配置熵（组态熵、混合熵） 2.4 固溶体的混合熵 2.5 振动熵和磁性熵 2.6 热力学第三定律 2.7 Richard和Trouton规则 2.8 例题
2.3 配置熵（组态熵、混合熵）
配置熵： 体系进行吸热或放热过程时，使内部粒 子混乱度Ω改变 体系内部粒子在空间有效位置间进行不 同配置（混合）时，混乱度Ω改变 引起的熵变。
配置（1） ＝ 1 N! S配置＝k ln 配置（2） k ln n!( N n )!
2.4 固溶体的混合熵
1.3 焓和比热容1
焓是状态函数
等压过程
H u pV dp 0 Q dH H Q p
1.3 焓和比热容2
恒容比热容 Cv 恒压比热容 Cp
热力学全套课件
i
yi : 可以认为是“广义坐标”（热力学中称为外参量），dy“i 广义位移”。
Yi : 与外参量yi相对应的“广义力”。
*说明： 外界对系统做的功 作用力 位移
非准静态过程中外界做功
积V 的乘积：
m = μV
七. 均匀系统的广延量和强度量
广延量：与系统的质量或物质的量成正比，如 m, V。 强度量：与系统的质量或物质的量无关，如 p，T。
关系：
强度量
广延量 质量（物质的量或者体积）
上式严格成立的条件：系统满足热力学极限
N ；V N 为有限 V
一. 准静态过程
1、热力学过程
热力学的基本规律
§1-1 热力学系统的平衡态及其描述
一. 热力学系统
系统： 热力学系统：即热力学的研究对象 是大量微观粒子构成的宏观系统
外界： 和系统发生相互作用的其他物体
系统
相互作用
外界
（交换能量，交换物质）
孤立系统：
不交换能量，不交换物质
闭合系统（闭系）：
交换能量，不交换物质
开放系统：
交换能量，交换物质
利用热平衡定律： A和B达到平衡
fAB ( pA ,VA ; pB ,VB ) 0 (2)
（2）式表明：（1）式两边的VC 可以消去，设消去VC 后（1）变为：
TA ( pA ,VA ) TB ( pB ,VB )
上式的意义：系统A和B分别存在一个状态函数（是状态参量压强和体积 的函数），在热平衡的时候这个值相等。我们把T ( p,V ) 定义为系统的温度。
以在理想气体方程右边加入密度 压力展开成密度 的nV幂级数：
n
V的高次幂的贡献，将
p
RT
n V
yi : 可以认为是“广义坐标”（热力学中称为外参量），dy“i 广义位移”。
Yi : 与外参量yi相对应的“广义力”。
*说明： 外界对系统做的功 作用力 位移
非准静态过程中外界做功
积V 的乘积：
m = μV
七. 均匀系统的广延量和强度量
广延量：与系统的质量或物质的量成正比，如 m, V。 强度量：与系统的质量或物质的量无关，如 p，T。
关系：
强度量
广延量 质量（物质的量或者体积）
上式严格成立的条件：系统满足热力学极限
N ；V N 为有限 V
一. 准静态过程
1、热力学过程
热力学的基本规律
§1-1 热力学系统的平衡态及其描述
一. 热力学系统
系统： 热力学系统：即热力学的研究对象 是大量微观粒子构成的宏观系统
外界： 和系统发生相互作用的其他物体
系统
相互作用
外界
（交换能量，交换物质）
孤立系统：
不交换能量，不交换物质
闭合系统（闭系）：
交换能量，不交换物质
开放系统：
交换能量，交换物质
利用热平衡定律： A和B达到平衡
fAB ( pA ,VA ; pB ,VB ) 0 (2)
（2）式表明：（1）式两边的VC 可以消去，设消去VC 后（1）变为：
TA ( pA ,VA ) TB ( pB ,VB )
上式的意义：系统A和B分别存在一个状态函数（是状态参量压强和体积 的函数），在热平衡的时候这个值相等。我们把T ( p,V ) 定义为系统的温度。
以在理想气体方程右边加入密度 压力展开成密度 的nV幂级数：
n
V的高次幂的贡献，将
p
RT
n V
材料热力学课件-第三章-1
9
△rGm = △rGm (T) + RTlnΠ (pB/p) νΒ
平衡时， △rGm = 0, 所以有
△rGm (T) = - RTlnΠ (pB/p) νΒ
定义：K
(T
)
def
exp
r Gm RT
或
K
(T
)
def
exp
B
B
T
B
RT
10
所以有： K(T ) pB / p B
33
TiO2(s)+2C(石墨)+2Cl2(g) = TiCl4(g)+2CO(g) 解: rGm(1000K) = ∑fGm(B,1000K)
=( - 637.6 -2×200.2+764.4) kJmol-1 = -273.6 kJmol-1
34
K(1000K) =exp[- rGm(1000K) /RT] =exp[273600Jmol-1/(8.3145×1000 Jmol-1)] = 1.96×1014
(3)虽然等温方程是由理想气体反应推导出来的， 但是，它可以用于任意化学反应，如纯凝聚系 统的反应。在用于纯凝聚系统的反应时，J不 是用分压，而是用浓度或活度表示。
29
/ K
K
p
pB
p
B
平衡态
r
Gm
RT
ln
K
p
RT
ln
J
p
实际应用此方程解决有关平衡问题
J p
pB,g
B,g
p
任意态
K
(T
)
def
exp[
(a
A
b
B
y
Y
热力学基础超经典ppt
系统从外界吸收的热量全部用来增加气体内能。
M QV CV ( T2 T1 ) M mol
M i E R( T2 T1 ) M mol 2
i CV R 2
可见：Cv只与自由度i有关，与T无关。
M CV dT 对于理想气体： dE M mol
任何过程
2、等压过程
（1）特征： dP=0
开尔文
卡诺
克劳修斯
R 电源
本章对热力学系统，从能量观点出发， 分析、说明热力学系统热、功转换的关 系和条件。
内容
一、热力学第一定律 二、气体摩尔热容 三、绝热过程 四、循环过程 卡诺循环 五、热力学第二定律 六、热力学第二定律统计意义 七、卡诺定理 克劳修斯熵 八、小结
一、热力学第一定律
安徽工业大学应用物理系
B、准静态过程
在过程中每一时刻，系统都处于平衡态，这是 一种理想过程。 当系统弛豫比宏观变化快得多时，这个过程中 每一状态都可近似看作平衡态，该过程就可认为是 准静态过程。
功、热量、内能
1、功 A 当气体进行准静态膨 胀时，气体对外界作 的元功为：
P
dl
S
活塞与汽缸无摩擦
dA PdV
A PdV
M 将 PV const .与 PV RT 联立得: M mol
V
－ 1
T＝cons t .
( 4)
P
－1
T ＝const .
(5)
说明：
（3）、（4）、(5)式称为绝热 方程，但式中的各常数不相同。
绝热线比等温线陡
(1)、等温：
PA dp A点的斜率： dV V T A
等压过程，1摩尔 物质温度升高1K 时所吸收的热量
热力学概论课件
体系与环境之间传递的除热以外的其它能量 都称为功，用符号W表示。
功可分为膨胀功和非膨胀功两大类。W的取号：
环境对体系作功，W < 0；体系对环境作功，W > 0。
Q和W都不是状态函数，其数值与变化途径有关。
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1/18/2020
1．2 热力学第一定律
热力学能（thermodynamic energy）以前 称为内能（internal energy）,它是指体系内部 能量的总和，包括分子运动的平动能、分子 内的转动能、振动能、电子能、核能以及各 种粒子之间的相互作用位能等。
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1/18/2020
功与过程
压缩过程
将体积从V2 压缩到V1 ，有如下三种途径：
1.一次等外压压缩
在外压为 p1下，一次从 V2 压 缩到 V1 ，环境对体系所作的功 （即体系得到的功）为：
W' e,1
p1(V1
V2 )
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1/18/2020
功与过程
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1/18/2020
热力学的方法和局限性
热力学方法 •研究对象是大数量分子的集合体，研究 宏观性质，所得结论具有统计意义。
•只考虑变化前后的净结果，不考虑物质 的微观结构和反应机理。
•能判断变化能否发生以及进行到什么程 度，但不考虑变化所需要的时间。
局限性 不知道反应的机理、速率和微观性
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1/18/2020
可逆过程（reversible process）
可逆过程的特点：
（1）状态变化时推动力与阻力相差无限小，体系 与环境始终无限接近于平衡态；
热力学基础超经典ppt课件
M Qp MmoC l p(T2.T1)
三、热力学第一定律对等体、等压和等温过程
的应用
V2
依据：Q＝E＋ PdV
V1
1、 等体过程：
以及
PV M RT Mm o l
（1）特征： （2）计算：
dV=0 ∴ dA=0
QVEM M mol2i RT
系统从外界吸收的热量全部用来增加气体内能。
.
M QV MmoC l V(T2T1)
.
dQ pdE PdV
C Pd dP Q T d E dPTdC V VR
CPCVR
迈耶公式
说明：
在等压过程中，1mol理想气体，温度升
高1K时，要比其在等体过程中多吸收8.31
Ｊ的热量，用于对外作功。
.
CP(2i 1)Ri22R
1.33 多原子
摩尔热容比：
CP CV
i 2 i
1.40 1.67
开尔文
卡诺 .
克劳修斯
R 电源
本章对热力学系统，从能量观点出发， 分析、说明热力学系统热、功转换的关 系和条件。
.
内容
一、热力学第一定律
二、气体摩尔热容
三、绝热过程
四、循环过程 卡诺循环
五、热力学第二定律
六、热力学第二定律统计意义
七、卡诺定理 克劳修斯熵
八、小结
.
一、热力学第一定律
安徽工业大学应用物理系 .
dV0, 系统对外作正功；
dV0, 系统对外作负功； dV0, 系统不作功。
.
A V2 PdV V1
P A
功的大小等于
P～V 图上过程曲
PdV
线P=P(V)下的面 积。
材料热力学_热力学基本原理
用溶解热法测得该反应在 978K 时的转变热为-22.18KJ/mol。 试分别 H =-26.78KJ/mol， 计算两种测量值所得 r Al 2 O 3 的标准生成焓。并比较两者是否一致。 3. 与 CuO、 Cu 2 O 平衡的氧气分压，在 900℃时为 0.028atm，在 1000℃时为 0.1303atm， 试计算反应 2Cu 2 O O 2 4CuO 在 298K，1173K，1273K 时的 H 。
• • 恒容热容：在不发生相变与化学变化、恒容、不做非 体积功的情况下体系每升高1度体系所需吸收的热量:
dQ U Cv dT V T V
•
• •
在不发生相变与化学变化的情况下，温度由T1升高至 T2所引起的内能变化为：
U Cv dT
T1
• •
•
与内能和焓一样，Gibbs自由能与Helmholtz自由能也没有绝对值 Gibbs自由能与Helmholtz自由能的变化可以由焓变、熵变、内能的 变化求出来 对于等温反应： G H TS
F U TS G H S T T F U S T T
材料热力学什么是材料热力学材料热力学是热力学基本原理在材料设计制备与使用过程中的应用包括相平衡相图热力学相变热力学等相图反映的是物质的存在状态而热力学反映的是物质所包含的能量而能量是物质状态变化的起因与因此相图与热力学有非常密切的关系目前材料热力学主要内容是相图或相平衡热力学本课程包括热力学基本原理回顾热力学在冶金材料过程中的应用相平衡热力学与相图计算相图与合金设计热力学基本原理回顾平衡状态
热力学第二定律及其相关基本概念
• 化学反应过程中生成物的熵的总和减去反应物 熵的总和即化学反应的熵变。 • 在不做非体积功的情况下，对于可逆过程有：
• • 恒容热容：在不发生相变与化学变化、恒容、不做非 体积功的情况下体系每升高1度体系所需吸收的热量:
dQ U Cv dT V T V
•
• •
在不发生相变与化学变化的情况下，温度由T1升高至 T2所引起的内能变化为：
U Cv dT
T1
• •
•
与内能和焓一样，Gibbs自由能与Helmholtz自由能也没有绝对值 Gibbs自由能与Helmholtz自由能的变化可以由焓变、熵变、内能的 变化求出来 对于等温反应： G H TS
F U TS G H S T T F U S T T
材料热力学什么是材料热力学材料热力学是热力学基本原理在材料设计制备与使用过程中的应用包括相平衡相图热力学相变热力学等相图反映的是物质的存在状态而热力学反映的是物质所包含的能量而能量是物质状态变化的起因与因此相图与热力学有非常密切的关系目前材料热力学主要内容是相图或相平衡热力学本课程包括热力学基本原理回顾热力学在冶金材料过程中的应用相平衡热力学与相图计算相图与合金设计热力学基本原理回顾平衡状态
热力学第二定律及其相关基本概念
• 化学反应过程中生成物的熵的总和减去反应物 熵的总和即化学反应的熵变。 • 在不做非体积功的情况下，对于可逆过程有：
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例题1.6 在常温常压下，a-Fe与e-Fe之间的摩尔体积差 ae VFe -0.33 mm3 mol-1 ，试估计常压下，两相摩尔自由能差。 为：
解：应用在P = 1 atm 下的Taylor展开式：
ae ae ae 0GFe [ 0GFe ]P1 VFe (P - 1)
0
g
ag 0 g a 略去(P-1)2项以上高次项，取， 0GFe GFe -0GFe 其中： (G / P)T V ag ag ag 有： 0GFe [ 0GFe ]P1 VFe (P - 1)
0 ag ag 0 ， [ GFe ] P1 随温度而变化，如图1.18 当两相平衡时，有： 0GFe
由：
ag VFe -0.312 2 10-4 T mm3 mol-1
ag [0GFe ]P1 -1000 (0.312- 2 10-4 T )(P -1)
式中的1000是GPa与 J.mm-3 之间的换算系数，P 的单位为GPa，
该式表示了相平衡温度随压力变化的关系。
室温、P = 13GPa时，a e 两相 ae 平衡，有： 0GFe 因此： 0
ae ae ae 0GFe [ 0GFe ]P1 [VFe ]P1 13 0
ae ae [ 0GFe ]P1 -[VFe ]P1 13
该值称：相变驱动力。
a e [ 0GFe ]P 1 -(-0.33) 131000
V
随压力增加，相变温度降低
dT -0.1001( K mm 3 mol -1 ) -100 .1(kGPa -1 ) P
解2：当 和 不是常数，可将a-Fe和g-Fe的摩尔自由能 在P =1 atm附近，做Taylor展开：
a g H m
a g Vm
0
g 0G Fe G Fe (T , P) [ G Fe ] P 1 ( ) T ( P - 1) ..... P a 0G Fe 0 a 0 a G Fe (T , P) [ G Fe ] P 1 ( ) T ( P - 1) ..... P g
....... 4290 ( J m ol-1 )
1.7 高压相变
纯铁的13GPa相变：指体积Vm变小，而电阻率增大的相变。
a e 相变是马氏体转变机制。 13GPa是a e 相变的开始压力， e a 逆转变的开始压力是8GPa。
a-Fe
e-Fe
Vm
m 利用G—T关系，求a g 转变的P--T关系 例1.5 随压力提高，纯铁的相变温度将发 生变化，试推算纯铁的a g 转变温度A3点 13GPa 室温下纯铁因压力变化而发生 a g 随压力的变化规律。 dT TVm 的结构变化 a g 解1：按克拉贝龙方程： dP H m 当压力变化不大时，和可近似看作常数。大气压下， a g 的转变温度为1183K， ag 3 -1 ag -1 V 0 . 075 mm mol H 879 J mol m m 代入上式，得：