工程热力学的 平衡状态的稳定性共72页文档
热力学系统的平衡状态及其描述热力学
§1.1 热力学系统的平衡状态及其描述 8.2 弱简并理想Bose气体和Fermi气体
5. 热力学单位 （国际单位制）
压强：帕斯卡：
能量：焦耳：
1Pa 1N m
2
标准大气压： 1Pn 101325 Pa 10 5 Pa
1J 1N m
§1.1 热力学系统的平衡状态及其描述小结 8.2 弱简并理想Bose气体和Fermi气体
证明？
§1.3 物态方程 8.2
弱简并理想Bose气体和Fermi气体
（5）对固体、液体，要T升高而体积不变很难，故而 常测 和 T ，推知
（6）物态方程
, , T
§1.3 物态方程 8.2
弱简并理想Bose气体和Fermi气体
二、几种物态方程 1. 气体 （n摩尔）理想气体：PV nRT a （1摩尔）范氏气体：( P 2 )(v b) RT v 昂尼斯气体方程
封闭系统： 与外界可交换能量。
边界
§1.1 热力学系统的平衡状态及其描述 8.2 弱简并理想Bose气体和Fermi气体
例，气体系统
Q0 W 0
孤立系统： 粒子数 N 不变、 能量 E 不变。
Q0 W 0
封闭系统： 粒子数 N 不变、 能量 E 可变。 开放系统： 粒子数 N 可变、 能量 E 可变。
§1.1 热力学系统的平衡状态及其描述 8.2 弱简并理想Bose气体和Fermi气体
§1.1 热力学系统的平衡状态及其描述
一、热力学系统和外界 1. 系统研究对象：大量微观粒子组成的宏观系统 外界 2.系统与外界之间可能交换能量 或物质（粒子）。系统按交换类 型可分为：
系统
孤立系统：与外界无交换。 开放系统： 与外界交换能量与 粒子。
热力学基本概念2-平衡态、准静态、几种热力过程
状态公理State postulate
闭口系： 不平衡势差 状态变化 能量传递
消除一种 达到某一 消除一种能量 不平衡势差 方面平衡 传递方式 而不平衡势差彼此独立 独立参数数目N=不平衡势差数 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1 n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等
工程热力学
平衡状态Equilibrium state
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势 相变 — 相不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势
平衡的本质：不存在不平衡势 In an equilibrium state there are no unbalanced potentials
工程热力学
工程热力学
Many types of Equilibrium
2、力平衡Mechanical equilibrium : if there is no change in pressure at any point of the system with time
The variation of pressure as a result of gravity in most thermodynamic system is relatively small and usually disregarded 压差 Pressure differential 力不平衡势Unbalanced potentials
绝热简单可压缩系统 N = ?
工程热力学
状态方程Equation of state
状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间 的关系 简单可压缩系统：N = 2
v f ( p, T )
工程热力学
高中化学热力学复习 7 热力学稳定性和动力学稳定性课件
一般地，关于物质的稳定性，不外乎其本身是否容易分解， 该物质能否与环境中的某物种发生化学反应。所以在讨论物质的 稳定性时， 首先要列出该物质的所有可能的分解反应。如分解成单质、 分解成简单化合物、化合物的歧化； 其次还要考虑该物质是否能与大气中常见组分发生化学变化。 最后，由各物质的标准生成自由焓算出一切可能的化学反应 的自由焓变。 与大气中组分的反应 分解成单质 △G＝？ 物质 分解成简单化合物 歧化 如果所有的可能反应的△G>0，就说该物质是稳定的；如果 有一个或多于1个反应的△G< 0，即该物质对该反应是自发的，因 而该物质是不稳定的。
热力学稳定性和动力学稳 定性之间没有必然的联系。
催化剂可以改变反应的历程,亦即能改 变反应的活化能,因此,催化剂可以增加或 降低动力学稳定性, 但催化剂不能改变热 力学的稳定性或不稳定性。因为催化剂并 不改变反应的始态和终态，换言之，热力 学指出不能自发进行的反应是不能通过使 用催化剂而使其发生的。
热力学稳定性和反应的自发性
一 热力学稳定性和动力学稳定性
无机化学中讨论元素及化合物的性质时，其中一个中心问题 就是化学体系的稳定性。 如，某元素能否形成某种化合物，这要看该化合物能否在一 定条件下稳定存在。在研究一个合成反应是否可行时，也可把问 题归结为有关反应物体系是否稳定。因而可以说，无机化学里的 一个重要问题是试图去说明不同化学体系的稳定性。 一般地说，一个体系是稳定的，即表观上不随时间而变化。 物理化学上把稳定的体系划分为两类，一类是真正稳定的，另一 类是表观稳定的。前者是体系处于平衡状态，在该条件下体系中 的各种可能变化都不能自发进行。如 CaCO3 在常温下既不能分解 为CaO和CO2,也不能分解为C、O2和Ca单质。另一种不是处于平衡 状态，而只是表观上稳定，即至少有一种可能的变化会自发进行， 只是变化的速率十分缓慢，以致不可能测量出来。如H2、O2的混 合气体在室温下是稳定的，可以长久共存。然而一旦将一块铂箔 放入其中，立即就会发生猛烈的反应，化合成 H2O 。前一种稳定 性是由热力学因素所控制，称为热力学稳定性；后一种稳定性是 由动力学因素——速率所控制，称为动力学稳定性。
大物热学第一章 热力学系统的平衡态及平衡方程PPT课件
vi v
pV vRT p pi
Dalton’s law of partial pressure: 混合气体的压强等于
－steady state 在外界影响下，系统的各部分宏观性质不随时间而
变化的状态。 例：
－Non-equilibrium state 系统的宏观性质随时间而变化的状态。
从非平衡态到平衡态的转变，称为驰豫过程。其时间
常数称为驰豫时间。
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8
－Quasi-static (quasi-stationary) state 从非平衡态到平衡态转变的热力学过程中，每一个
热学
Heat (and Thermodynamics)
什么是热学
研究热现象的规律及其应用的学科
热学包含的内容
1. 热学的基本参量——温度和热量的概念
2. 物质的热性质
状态方程 热膨胀 比热 热传递的规律
3. 热力学定律
第零、第一、第二、第三定律
4. 热现象的微观理论
气体分子运动论 统计物理
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强趋于零时的极限（稀薄气体）。（可以证明理想气体
的内能与压强无关）
理想气体在平衡态时满足
Charles law
pT
Gay-Lussac law V T Boyle-Marriotle law—一定质量的气体，当温度一定 时，P和V成反比
PV = const (T) 对于1 mole 理想气体
PVm = RT R为Universal gas constant
III.气体分子运动论的初步概念（1.1，1.6节）
可编辑课件
20
Ⅱ Equation of State 1. 什么是状态方程（状态方程的一般讨论）
附加材料2-平衡和稳定
力平衡 力平衡—mechanical equilibrium：
在无外界作用的条件下，系统内 部，系要条件 热力平衡的充要条件—系统同时达到热平 热力平衡的充要条件 衡和力平衡。
2
稳定状态
定义：系统保持状态参数值不随时间而改变 系统保持状态参数值不随时间而改变 的状态。 的状态 讨论：
附加材料2 附加材料
平衡状态和稳定状态
1
平衡状态 --thermodynamic equilibrium state
定义：若无外界影响系统保持状态参数值 若无外界影响系统保持状态参数值 不随时间而改变的状态。 不随时间而改变的状态 热平衡 热平衡—thermal equilibrium：
在无外界作用的条件下，系统内部系统与外界 处处温度相等。
1）系统平衡与均匀 系统平衡与均匀
— 平衡可不均匀
3
2）平衡与稳定 平衡与稳定
— 稳定未必平衡 1）各截面上参数不随时间变化。 各截面上参数不随时间变化。 各截面上参数不随时间变化 2）ECV=0， SCV=0， mCV=0 ， ， 稳 定 与 局 部 平 衡
4
稳定流动特征： 稳定流动特征
注意：区分各截面间参数可不同。
热力学中的热平衡
热力学中的热平衡热力学是研究物质能量转化规律的学科，而热平衡则是热力学中一个重要的概念。
本文将为您详细介绍热力学中的热平衡，包括定义、影响因素以及热平衡的稳定性等内容。
一、定义热平衡是指热力学系统中温度处于相等状态的一种平衡。
当两个物体处于热平衡状态时，它们之间不会发生热量的传递，即它们的温度相等。
在热力学中，一个孤立系统可以包括多个热平衡系统。
而一个热平衡系统则是指一个系统的温度在空间运动中保持正比例的均匀性的状态。
二、影响因素热平衡的形成取决于以下几个因素：1. 温度：温度是系统热平衡的核心影响因素。
只有当物体之间的温度相等时，才能达到热平衡状态。
热量会从高温区域向低温区域自发传递，直到两者温度相等为止。
2. 热量交换：热平衡的形成还需要有热量交换的过程。
物体之间通过热传导、辐射或对流等方式来交换热量。
当热量交换达到平衡状态时，就可以实现热平衡。
3. 绝热条件：绝热条件是热平衡的前提之一。
当物体之间没有热量交换，即没有能量输入或输出时，才能实现真正的热平衡。
三、热平衡的稳定性热平衡的稳定性与系统的各项性质和外界条件有关。
以下是几个与热平衡稳定性相关的因素：1. 系统容量：热平衡与系统的容量有关。
系统容量越大，稳定性越好，温度变化较小。
而系统容量越小，温度变化较大，热平衡状态更容易被打破。
2. 热传导性：物体的热传导性能对热平衡的稳定性也有影响。
热传导性能越好，热交换越顺畅，稳定性越高。
3. 外界干扰：外界干扰是破坏热平衡的主要因素之一。
例如，高温物体接触到低温物体会导致热量传递，进而破坏热平衡。
四、热平衡与热力学第零定律热平衡与热力学第零定律存在密切关系。
热力学第零定律指出，如果物体A与物体B分别与物体C达到热平衡状态，那么物体A和物体B之间也处于热平衡状态。
热力学第零定律是热平衡状态的基础，通过判断物体与其他物体的相互关系，可以确定是否达到热平衡状态。
五、总结热平衡是热力学中一个重要的概念，它描述了一个系统中温度相等的状态。
热力学稳定性
热力学稳定性1. 热力学稳定性和因果，彼此独立还是相互关联？一个流体力学理论应该确保两个原理的有效性，即稳定性和因果关系。
如果对全局热力学平衡态施加微小扰动，由此引起的偏差不会无限增长，而是随着时间推移保持有界，流体力学理论就被认为是稳定的；这源于随着时间趋于无穷，对耗散系统演化所至的平衡态的定义。
另一方面，它要遵循因果关系，则需要信号的传播速度不超过光速；这源于相对论原理，如果信号是超光速的，在这个参照系中，结果将先于原因。
图1. 相对论中的光锥表示时空中事件的关系。
假设因果过程的传播速度不超过光速，对于时空中的任意事件 O，过去光锥中的事件可以影响事件 O ，即如果发送一个物理信号可以抵达事件O（左图）；未来光锥中的事件可以受到事件 O 的影响，即从事件 O发送的物理信号可以抵达这些事件（中图）。
而光锥之外的类空（space-like）区域与事件 O 是没有因果关系的，因为信号无法以超过光速的速度传输（右图）。
一个新理论需要通过这两个检验，才会被认为是可靠的。
到目前为止，研究中通常将这两个性质作为理论方程中不同的、没有联系的特征分开讨论。
从直观上看，这种方法似乎很自然，因为稳定性和因果关系这两个原则分属于物理学的两个不同分支：热力学和场论。
然而实际上，这两个特征是强烈关联的。
此前的许多研究都表明，存在一种潜在的物理机制将稳定性和因果关系联系起来。
最近发表在 PRL 上的一篇论文提出了这样一个“完全解释性”的机制。
研究人员证明：如果一个理论是热力学稳定的，即在平衡态时熵最大，那在平衡态附近，它也是遵循因果关系的。
因果关系和稳定性之间的这种深刻联系源于熵和信息之间的潜在关系。
2. 几何证明：热力学稳定性意味着因果关系我们首先讨论热力学稳定性。
在什么条件下，相对论流体是热力学稳定的？可以考虑流体“F”与热粒子浴“H”接触，假设整个“流体+热浴”系统是孤立的，并从状态1自发地演化到状态2。
根据热力学第二定律，整个系统的熵不会减少：（1）流体F 的平衡态是熵最大化的状态。
热力学稳态
热力学稳态热力学稳态是指当热力学系统在某个状态下，其物理量恒定或变化缓慢，相对静态而言，在一定时间内，系统内部发生极小而不可察觉的变化，因而被称为热力学稳态。
热力学自19世纪末开始发展起来，已经成为科学上最重要的理论之一。
它提供了一种方法来描述物质的温度，压强，流量和物质的性质在物质系统中的变化。
热力学稳态的定义是：当沿着稳定的方向，从热力学系统的一个状态到另一个状态的过程中，其内部的物理量在一定时间内保持稳定，或者变化缓慢，则称为热力学稳态。
其内部状态不会发生明显的变化，这也是为什么它被称为稳态。
一个物理系统处于稳态条件下，不受外界紊乱影响，其物理量恒定，其内部只发生极小的变化，甚至可以忽略不计。
热力学稳态是热力学的基础理论，它从一定的条件出发，关注物理量在系统中的平衡变化状态。
它不仅用于物理学，而且也被用于化学，生物学等跨学科研究，以及在飞机维修，化工行业，金属冶炼，电子设备制造等工业领域，在实际应用中发挥重要作用。
热力学可以认为是热力学稳态的本质所在，而热力学稳态则可以认为是热力学的表象。
热力学稳态有两个基本特点，一是它的边界条件，即热力学稳态的状态受到热力学系统的外部环境的影响。
二是它的物质守恒，即物质不会消失，只会转移至不同状态。
热力学稳态也可以指定于热力学系统中某一变量的最终静止点，该点以外的任何情况，任何变量都将处于变化中，而热力学稳态就是指该点，是某一变量的最终停止点。
因此，热力学稳态的概念常常结合热力学的热力学原理，用以描述物质的温度，压强，流量，物质的性质和物质的状态，及其变化的过程。
热力学稳态的概念是热力学的重要理论，它包含了物质性质的极限表现，以及热力学系统内部物质状态的描述，为热力学系统的设计、分析和研究奠定了基础。
在实际应用中，它是热力学系统的关键部分，可以用于检验热力学系统的正确性，为热力学系统的发展提供参考。
综上所述，热力学稳态是热力学系统内物理量稳定、持续变化的重要理念。
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10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
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