物理学教学ppt§4-1热力学平衡的基本概念
热力学中的相平衡及其应用
热力学中的相平衡及其应用热力学是研究热力学系统的物理学科，它研究的是热和功的相互转化关系。
在热力学中，相平衡是一个重要的概念，它涉及到热力学系统中各个相（也就是统计物理学中的物态）之间的平衡状态。
本篇文章将讨论热力学中的相平衡及其应用。
一、相平衡的基本概念相平衡是指热力学系统中各相之间达到稳定状态的状态，也就是说，各相之间的比例不发生变化，而且它们的物理性质也保持不变。
例如，一个水+冰的系统，在0°C时会达到相平衡，此时水和冰的比例不变，它们的密度、比热等物理性质也保持不变。
在相平衡状态下，各相之间的化学势、温度、压力等物理量都是相等的，这被称为相平衡条件。
相平衡条件是物理化学中的重要关系，它可以用来解决相变和化学反应的热力学问题。
二、相平衡的类型在热力学中，相平衡可以分为两种类型：稳定相平衡和非稳定相平衡。
稳定相平衡是指各相达到平衡后，可以长期保持不变的状态；而非稳定相平衡则是指各相之间的比例是动态的，会随着时间的推移而发生变化。
以液体和蒸汽的相平衡为例，当一个开口的水杯放置在平衡的环境中时，水面上方会形成一层水蒸气，这便是液体和蒸汽的相平衡。
这种相平衡是稳定的，因为水和蒸汽之间的比例和性质可以在很长的时间内保持不变。
三、相平衡的应用相平衡在物理化学中有广泛的应用，下面将介绍其在相变和化学反应方面的应用。
1. 相变相变是指物质由一种相转变为另一种相的过程。
在热力学中，相变的条件是相平衡条件，即各相之间化学势、温度、压力相等。
相变是物质性质改变的一种表现，因此它在自然界中有着广泛的应用，如水结冰、水蒸气凝结等现象。
2. 化学反应化学反应是指物质分子之间发生变化的过程。
在热力学中，化学反应的条件也是相平衡条件。
化学反应的平衡是指反应物和产物之间的化学势、温度、压力等相等。
化学反应的平衡常数是反应物和产物之间化学势比值的比例。
因此，相平衡的概念在化学反应的研究中具有重要的作用。
综上所述，相平衡是热力学中一个重要的概念。
热学 第一章 热力学系统的平衡态与温度
例如：粒子数
箱子假想分成两相同体积 的部分，达到平衡时，两侧粒 子有的穿越界线，但两侧粒子 数相同。
三、状态参量
状态参量：描述系统平衡态宏观性质的物理量。 常用的状态参量包括以下四类:
几何参量，如体积和应变等； 力学参量，如压强和应力等； 电磁参量，如电场和磁场强度、电极化与磁化等； 化学参量，如组成系统各化学组份的质量、物质的量。 只需要体积和压强两个状态参量就能够确定热力学 系统的平衡态，这样的系统称之为简单系统。
不管是哪种气体，当
压强趋于零时，所建立的 温标都趋于相同的极限值
p
V
T lim 273.16 lim 273.16
ptr 0
ptr
ptr 0
Vtr
——理想气体温标
3、热力学温标 （不依赖于任何测温物质及其物理属性）
开尔文根据热力学第二定律建立了热力学温标。
在理想气体温标所能确定的温度范围内，理想气体
线度约为10-4---10-5 ， 1cm3气体中包含1011个微粒；
二、宏观物体内的分子在不停地运动并与温度有关
1827年，布朗（英 国植物学家）
在显微镜下观察悬
浮在液体中的小颗粒
永不停息地运动着，
其中任何一个运动都 是 无 规 则 的 或 无 序 的 。 布朗粒子
--------布朗运动
布朗运动
由观察和实验总结出来的热力学规
宏观描述 律，不考虑宏观物体内大量微观粒
研
子的微观结构，从能量观点直接研
究
究宏观物体的性质与规律。——热
方
力学方法
法
从物质的微观结构出发，依据每个
微观描述 分子所遵循的力学规律，用统计的
方法研究宏观物体的性质。——统
大学物理热力学教学课程资料
理想气体等温过 程：气体体积不 变温度不变压力 变化
理想气体绝热过 程：气体体积变 化温度变化压力 变化
热力学系统和外界影响
热力学系统：由一定数量的物质组成具有一定状态和性质 外界影响：包括温度、压力、体积、质量等物理量
热力学第一定律：能量守恒定律系统内能量变化等于外界对系统的做功和热传递之和
热力学第二定律：熵增原理系统自发过程总是向熵增的方向发展 热力学第三定律：绝对零度原理系统在绝对零度时熵为零能量最低
热力学第二定 律是自然界中 普遍存在的规 律对于理解自 然界的物理现 象和工程应用 具有重要意义。
热力学的应用和意义
热力学第一定 律：能量守恒 定律是自然界 的基本规律之 一广泛应用于 各种物理现象 的解释和预测。
热力学第二定 律：熵增原理 是自然界的基 本规律之一广 泛应用于各种 物理现象的解
释和预测。
热力学第一定律的应用广泛包括热机效率 的计算、热力学循环的分析等。
热力学第二定律
热力学第二定 律是热力学的 基本定律之一 描述了热量的 传递和转换规
律。
热力学第二定 律包括两个部 分：克劳修斯 表述和开尔文
表述。
克劳修斯表述： 热量不能从低 温物体传递到 高温物体而不 引起其他变化。
开尔文表述： 不可能从单一 热源吸收热量 并将之完全转 换为功而不引 起其他变化。
热力学的研究对象和方法
研究对象：热力学主要研究热力学系统包括气体、液体、固体等 研究方法：热力学主要采用实验和理论相结合的方法包括实验测量、理论推导、数值模拟等 研究内容：热力学主要研究热力学系统的状态、性质、变化规律等 研究意义：热力学在工程、物理、化学等领域具有广泛的应用价值如热机、制冷、热处理等
热力学的基本概念和定律
《大学基础物理学》农科用教材自作ppt课件-03热力学
准静态过程:一个过程， 准静态过程:一个过程，如果任一中间状态都无限 接近于平衡态，则此过程称为准静态过程。 接近于平衡态，则此过程称为准静态过程。 --------“无限缓慢” --------“无限缓慢” 理想化模型！ -------- 理想化模型！ 1.准静态过程的理论意义 准静态过程的理论意义？ 1.准静态过程的理论意义？ 2.准静态过程的实际意义 准静态过程的实际意义？ 2.准静态过程的实际意义？
海 纳 百
系统
T1
系统 （T1）直接与 热源 （T2）有限温差传热的 T2 热传导为非准静态过程
大 道 致
若传热过程“无限缓慢”，或保持系统与 若传热过程“无限缓慢” 外界无穷小温差， 外界无穷小温差，可看成准静态传热过程 。. 系统
T1
T1+3△T △
T1+△T △
T1+2△T △
T2
海 南 大 学
海 南 大 学
大 道 致
第三章 热力学
第3章 热力学基础
海 纳 百
结构框图
理想气体 物态方程 热力学系统 内能变化的 两种量度 准静态 过程 功 热量 应用 热力学 第一定律 （理想气体） 理想气体） （对热机效 热力学 率的研究） 第二定律 率的研究）
等值过程 大 绝热过程 道 循环过程 致 卡诺循环
海 纳 百
P
1
3
大
某过程曲线包围的面积， 某过程曲线包围的面积， 等于此过程的功。 等于此过程的功。
P1
2
3 间接计算法
由热力学第一定律
O
V
V1 V2
道 致
Ｑ＝∆E ＋A →A Ｑ＝∆
通过作功改变系统的热力学状态的微观实质： 分子有规则运动的能量 分子无规则运动的能量
[理学]第四讲：热力学第一定律
![[理学]第四讲：热力学第一定律](https://img.taocdn.com/s3/m/c6f599ee5ff7ba0d4a7302768e9951e79b896936.png)
于p(环)。
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第二十三页，共116页。
3．恒容过程 ：系统状态发生变化时，系统的体积始终不变。
4．绝热过程(adiabatic process,adia.)：系统状态变化时与环境无热交换。
5．循环过程(cyclic process)：当系统由始态经历一系列具体途径后又
回到原来状态的过程。
循环过程的特点: 系统所有状态函数变化量均为零
但变化过程中，系统与环境交换的功与热却往往不为零。
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第二十四页，共116页。
例 1：等 T 过程：理气的等温膨胀过程
(298K, 5Pθ, 1dm3 ) 298K (298K, Pθ, 5dm3 )
2. 力平衡(mechanical equilibrium)：（无刚性壁时）系统内
各部分的压力相等，即处于力平衡。
3. 相平衡(phase equilibrium)：当系统不止一相时，达平衡后各
相的组成和数量不随时间而改变，即处于相平衡。
4. 化学平衡（chemical equilibrium）：有化学反应时，达
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3
第三页，共116页。
§4-1 热力学概论
一. 概论 1. 热力学是物理学的一个分支 共有三条基本定律。第一定律能量转化过程
中的数量守恒；第二定律能量转化过程中进
行的方向和限度；第三定律低温下物质运动
状态，并为各种物质的热力学函数的计算提
供科学方法。 4 第四页，共116页。
2. 热力学应用于研究化学——化学热力学 把热力学中的基本原理用来研究化学现象
热学学 第四章 热力学第一定律.
植物，通过氧化把化学能转化为热和机械能。
16
亥姆霍兹 德国 物理学家（1821～1894） 《力之守恒》 化学、力学、电磁学、热学
17
• 2 内能
内能：在热学参考系下，所有分子的无规则运动的能量之和。
热学参考系：使系统宏观静止的参考系
用的能量，在过程中保持为常数，因此可以省略。
• 内能具体包含哪些能量---普遍
分子的动能(包括平动、转动、振动)
+分子内部的振动势能
+分子间的势能
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---原子核内的能量，不能被运用，省略。 ---系统整体运动的能量，不是内能，排除。 (系统的整体平动、转动的动能) ---对于理想气体，分子间势能在任何过程中始终保持为常数， 可以省略。 • 例子：单原子分子理想气体的内能。 每个分子的动能之和。---热学坐标系。 • 例子：刚性双(多)原子分子理想气体的内能。 每个分子的平动动能之和，每个分子的转动动能之和。 • 例子：非刚性双(多)原子分子理想气体的内能。 每个分子的平动动能之和，每个分子的转动动能之和。每个分 子的振动动能之和，每个分子的振动势能之和。 • 例子：前面的例子都为非理想气体时。 都要包含分子间的势能之和。
系统和外界在非功过程交换的能量，称为热量
注意：1）热量过程量。
2）系统和外界必须有温度差，才能交换热量。
3）系统和外界交换能量的方式只有两种：功，热量。
§4.3 热力学第一定律
本质：能量转化和守恒定律在热学系统的表现。
1 历史
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焦耳(1818-1889),英国。 热功当量
w电＝I 2Rt＝JQ w重力＝JQ Q cmT
物理学：热力学基本概念解析
物理学：热力学基本概念解析1. 热力学的定义和基本原理热力学是探究能量转化和传递以及物质间相互作用的科学领域。
它涉及系统、热力学过程、功和热量等概念，通过统计方法考虑了大量微观粒子的行为。
基本原理: - 系统与环境: 研究对象称为"系统"，周围环境为"外界"，两者可以通过物质交换和能量交换进行相互作用。
- 内部能量: 系统内所有微观粒子的总能量被称为内部能量，包括其运动、势能等。
- 第一定律：能量守恒定律。
系统所获得或损失的热量与对外做功之和等于内部能量变化。
- 第二定律：熵增原理。
孤立系统的总熵（混乱程度）永远不会减少。
2. 温度和热平衡温度是物体分子/原子平均运动动能的度量。
常见温标包括摄氏度、华氏度和开尔文。
温度测量方法： - 常规温度计：基于物质的热膨胀性质。
- 热电偶和热电阻：利用材料的温度对电阻或者电动势的影响。
热平衡是指当两个物体接触时，它们之间没有净能量传递。
达到热平衡时，两者的温度相等。
3. 状态方程和气体行为状态方程描述了物质在不同条件下的状态。
理想气体状态方程是最经典的，描述了气体压强(P)，体积(V)和温度(T)之间的关系：P V = n R T其中n代表摩尔数，R代表气体常数。
实际气体及修正： - 范德瓦尔斯方程：修正了理想气体模型中分子间吸引力和粒径忽略不计的问题。
- 柯文－克拉普隆方程：考虑气体分子尺寸与其距离相关的效应。
4. 理想气体过程理想气体过程是指在特定条件下，理想气体所经历的一系列变化。
常见类型包括： - 绝热膨胀：无能量交换发生。
- 等容过程：体积固定不变。
- 等压过程：压强保持恒定。
- 等温过程：温度不变。
在理想气体过程中，系统内能、外界对系统做功以及热量交换等可以通过热力学计算得出。
5. 熵和热力学循环熵是用于描述系统混乱程度的物理量。
它随时间总是增加，符合第二定律。
热力学循环（例如卡诺循环）是一种将热能转化为其他形式能量的过程。
热力学与热平衡
热力学与热平衡热力学是研究物体热现象与能量转化规律的科学，它与自然界中的热平衡密切相关。
热平衡是指当物体间无能量交换或能量交换达到平衡时，物体间的温度保持恒定的状态。
本文将从热力学的概念、热力学定律以及热平衡的含义和应用等方面进行论述。
一、热力学概述热力学是研究热现象与能量转化规律的一门学科，它研究物质的热力现象、热力平衡以及能量转化等规律。
热力学是一门极其重要的学科，对于了解自然界中的能量变换和守恒至关重要。
二、热力学定律热力学定律是热力学研究中的基础定律，它们对于分析热平衡状态以及能量转化具有重要的指导意义。
热力学定律主要包括以下几条：1. 热力学第一定律：能量守恒定律热力学第一定律表明能量在物体间的转换是按照一定的规律进行的。
能量可以从一个物体转移到另一个物体，但总能量守恒。
这个定律在能量转移与热平衡中起着重要的作用。
2. 热力学第二定律：熵增定律热力学第二定律是热力学中一个重要的定律，也称为熵增定律。
它说明自然界中的某些现象是不可逆的，系统的熵会不断增加。
熵是系统无序程度的度量，热力学第二定律对于研究能量转化的方向和过程具有重要的指导作用。
三、热平衡的含义和应用热平衡是指物体间无能量交换或能量交换达到平衡时，物体间的温度保持恒定的状态。
热平衡是热力学的重要概念，它在科学研究和实际应用中有着广泛的应用。
热平衡的含义：在一个封闭系统中，当物体间无能量交换或能量交换达到平衡时，物体间的温度保持恒定，称为热平衡。
在热平衡状态下，物体内部的能量转换和交换均达到平衡状态。
热平衡的应用：1. 热力学实验设计在进行热力学实验时，热平衡是一个重要的考虑因素。
为了确保实验的准确性和可重复性，需要将系统中各个物体达到热平衡状态，以消除外界干扰和温度梯度对实验结果的影响。
2. 工业生产与能源利用在工业生产和能源利用过程中，热平衡的控制对于提高能量利用效率和降低能量损失具有重要意义。
通过优化热平衡状态，可以减少系统的能量损耗，提高生产效率。
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简单系统(两参量系统)
( p,V ) ( p,T ) (V ,T )
p-V 图上的一个点就代表 p 了系统的一个状态。当系统处 于非平衡态时不能用状态图上 的点来表示。
( p,V )
V
三、状态方程 1 状态方程的概念
一般地，一个热力学系统达到平衡态时，其状 态参量之间满足的函数关系称为该热力学系统的 状态方程.
从物质的微观结构出发，用统计平均的方法，研究 热现象及规律的微观本质。
3.宏观方法和微观方法的关系 相辅相成、互相补充。
第四章 气体动理论
§4-1 热力学平衡的基本概念 一 热力学系统的平衡 1.系统
由大量分子或原子组成的宏观物体，称为热力 学系统。 热力学系统外的物体称外界。
孤立系：与外界没有任何相互作用的热力学体系。 封闭系：与外界有能量交换但没有物质交换的系统。 开放系：与外界既有能量交换又有物质交换的系统。
2 理想气体的状态方程
温度较高、压强较小、密度较小的气体—理想气体
一定量的理想气体，在平衡状态下，状态参量p、 V、T的关系可以由三条实验定律导出
pV C(恒量) T
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1mol的理想气体在标准状态下，所占的体积为 22.4升，M质量的气体在标准状态下占体积
V0
M M mol
22.4升
质量为M的气体，在标准状态下的状态参量
在SI中,单位是立方米. 1l=10-3m3
压强p
大量气体分子与器壁碰撞,器壁单位面积所受的正 压力. 在SI中,单位:帕斯卡(pa) 1pa=1N·m-2 1 atm = 1.013105pa = 760mmHg
温度T 表征气体热运动剧烈程度的物理量. 温度的数值表示叫温标.
摄氏温标与热力学温标的关系 t T 273.15
气体质量 M Nm
气体的摩尔质量 M mol N Am
由理想气体状态方程 pV M RT M mol
p N R T V NA
p nkT
理想气体状态方程的两种形式
pV M RT M mol
R 8.31J/K.mol
p nkT
n N 分子数密度 V
k R NA
1.381023J/K
玻耳兹曼常数
在平衡态下宏观量的数值仍会发生与确定值的微小 偏差,这种现象称为涨落现象，分子数越多，涨落 就越小。
2 态参量和态函数
态参量：可以独立改变的,并足以确定热力学系统 平衡态的一组宏观量。 态函数：以态参量为自变量，由平衡态确定的其 他宏观量。
体积V 气体分子无规则热运动能达到的空间称为气体的体 积.容器中的气体的体积就是容积.
第二篇 热学
一、热学研究对象及内容 1.对象 由大量分子或原子组成的宏观物体，称为热力 学系统。 热力学系统外的物体称外界。
对象的特征：大量无规运动的粒子组成。
2.内容 研究物质热运动及其相关规律。
二、热学的研究方法 1.宏观描述方法---热力学方法 以实验事实为基础，从能量的观点研究热现象的宏 观特性和规律。 2.微观描述方法---统计物理方法
p0 1atm 1.01325105 Pa
T0 273 .15K
V0
M M mol
22.4 10 3 m3
C p0V0 8.31 M R M
T0
M mol
M mol
pV M RT M mol
R 8.31 J/K.mol
普适气体恒量
理想气体状态方程得另一种常用形式： 设M质量的气体包含 N个分子，每个分子质量 m
理想气体状态方程: pV M RT RT
M mol
T不变 玻意耳-马略特定律
PV=constant
理想气体的 实验定律
p不变
盖—吕萨克定律
V/T=constant
V不变
查理定律
P/T=constant
2 平衡态(理想模型) 热学平衡条件——T 相等；
条件： 力学平衡条件——P 相等； 化学平衡条件——粒子数相等。
定义： 在不受外界影响的条件下，即对一个孤立系，经过 足够长的时间后，系统必将达到一个宏观性质不随 时间变化的状态，这种状态称为平衡态。
特点：动态平衡
二 态参量和态函数
1.热运动描述 微观量：描述组成它的微观粒子的运动状态的物理量。 宏观量：从整体描述系统的宏观性质的量。 两者关系：宏观量是微观量的统计平均值。