热力学平衡的基本概念
热力学平衡的基本概念
箱子两侧粒子数不可能严格相同，这里的偏差也 就是涨落.
四 热力学第零定律 1 热平衡: 两物体通过热接触，经很长时间后达到 的宏观性质不再变化的状态称为热平衡态。 热力学第零定律为温度概念的建立提供了实
验基础, 互为热平衡的物体之间必存在一个相同
的宏观特征，即相同的温度.
五 状态方程 1 状态方程的概念 状态参量在平衡态下有确定的数值和意义，那么不同 状态参量之间有什么关系？ 以理想气体为例，状态参量有p、V、T，由实验测 得， P、V、T三者有关系：
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 热现象：物质中大量分子热运动的集体表现。
热学研究与热现象有关的性质和规律。
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
f( T ,p , V ) 0
气体的状态方程
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.
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 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
5
M 3 3 22 . 4 10 m T 273 . 15 K V 0 0 M mol
P V M M 0 0 C 8 . 31 R T M M 0 m ol m ol
M PV RT Mmol
R8 .31 J/K.mol
普适气体恒量
另一种常用形式
热力学基本概念2-平衡态、准静态、几种热力过程
简单可压缩系统的独立变量数
只交换热量和一种准静态的容积变化功
简单可压缩系统：N = n + 1 = 2
The state of a simple compressible system is completely specified by two independent properties
可逆过程的实现
准静态过程
+ 无耗散效应 = 可逆过程 通过摩擦使功 变热的效应 (摩阻，电阻， 非弹性变性， 磁阻等）
无不平衡势差 耗散效应 Dissipative effect 不平衡势差
不可逆根源
工程热力学
耗散效应 irreversibility
Frequently encountered irreversibilities
平衡Equilibrium与稳定Steady
稳定：参数不随时间变化
稳定但存在不平衡势差 去掉外界影响， 则状态变化
若以（热源+铜棒+冷源） 为系统，又如何？
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
工程热力学
平衡Equilibrium与均匀Even
平衡：时间上 均匀：空间上
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
工程热力学
A process that can reversed 注意 leaving any trace on the without surroundings. That is, both the 可逆过程只是指可能性，并不 system and the surroundings are 是指必须要回到初态的过程。 returned to their initial states at the end of the reverse process.
热力学中的热力学平衡
热力学中的热力学平衡热力学平衡是热力学研究中一个重要的概念，它描述了在一个系统中，各个宏观性质保持稳定的状态。
热力学平衡是自然界中广泛存在的状态，对于理解物质间的相互作用及其行为具有重要意义。
本文将从热力学平衡的基本原理、条件以及应用等方面进行探讨。
一、热力学平衡的定义热力学平衡是指一个系统内部的各种宏观性质保持不变的状态。
在热力学平衡状态下，系统各部分之间不存在差异或变化，整体上呈现出一种稳定的状态。
这种状态可以通过一些物理量的测量来判断，比如温度、压力、物质的密度等。
二、热力学平衡的条件1. 热平衡：当系统内各部分之间没有温度差异时，系统达到了热平衡状态。
在热平衡状态下，热量不再从一个物体传递到另一个物体，整个系统的温度保持不变。
这是热力学平衡的重要条件之一。
2. 动力学平衡：动力学平衡是指系统内部的各个部分的物质流动速率不再发生变化。
换句话说，系统中各物质的输入和输出速率相等，达到了动力学平衡状态。
3. 化学平衡：化学平衡是指系统中不再发生物质的化学反应，或者反应速率相等，达到了化学平衡状态。
在化学平衡状态下，反应物和生成物的浓度不再发生变化。
三、热力学平衡的应用热力学平衡的应用非常广泛，涉及到许多领域和行业。
1. 工业生产：在工业生产中，热力学平衡的概念被广泛应用于各种物质的转化和传递过程。
比如在化工生产中，热力学平衡可以用来优化反应条件，提高反应的产率和选择性。
在能源生产中，热力学平衡可以用来优化能源转化过程，提高能源利用率。
2. 环境保护：热力学平衡的概念在环境保护中也有重要应用。
比如在大气污染控制中，可以利用热力学平衡的原理来优化工艺设计，减少二氧化硫等有害气体的排放。
在水处理中，热力学平衡可以用来优化水质的处理过程，提高水处理效率。
3. 生物系统：热力学平衡的概念也被广泛应用于生物系统的研究中。
生物系统中的各个组成部分之间的平衡是生物体正常运作的基础。
比如在生物代谢过程中，能量的平衡是保持生命活动正常进行的重要条件。
热力学系统的相变与相变平衡
热力学系统的相变与相变平衡热力学是研究能量转化和能量传递的学科，而相变则是热力学中非常重要的概念之一。
相变是物质从一种相态转变为另一种相态的过程，例如从固态到液态的熔化，从液态到气态的汽化等。
相变过程中的能量转化和物质的性质变化对于我们理解和应用热力学非常重要。
本文将介绍热力学系统的相变及其相变平衡的基本概念和相关理论。
1. 相变的基本概念相变是物质由一个相态变为另一个相态的过程，可以是固态到液态、液态到气态、固态到气态等。
相变发生时物质的性质会发生明显的变化，例如物质密度、体积、热容等。
相变可以通过调节温度和压力等外部参数来实现，一定条件下的相变称为相变平衡。
在相变过程中，物质的温度和压力保持不变，而物质内部结构的排列方式发生变化。
2. 相变的分类根据物质相变时的温度和压力变化趋势，相变可以分为一级相变和二级相变。
一级相变也称为一级相变点，一般发生在固液或液气相变时，相变过程中物质的温度保持不变，需要吸收或释放大量的潜热。
例如水的熔化和汽化过程就是一级相变。
而二级相变则是温度和压力随着相变过程的进行而逐渐变化，例如铁的铁磁相变。
3. 相变平衡的条件相变平衡的关键是物质处于两个相态之间的平衡状态，该状态下物质的温度和压力不变。
相变平衡的条件有两个：一是两相共存的压强相等，即两相的化学势相等；二是两相的温度相等，即两相之间没有温度梯度。
只有满足这两个条件，才能称为相变平衡。
4. 相变平衡的相图表示相图是描述物质在不同温度和压力下，各相相对稳定的图形表示。
相图的横轴为温度，纵轴为压力，不同相态的相界以曲线或直线表示。
在相图中，相变平衡的状态对应于相界上的点。
相界也可以通过实验测定得到，例如根据液体和气体相变的压力和温度关系可以得到液气相界。
5. 相变平衡的热力学描述根据热力学第一定律和第二定律，相变平衡过程有以下几个特点：一是相变过程中的能量转化为潜热，即相变过程中单位质量的物质吸收或释放的能量；二是相变平衡过程中物质的温度和压力不变，即可通过相变平衡曲线上的点来确定相变过程中系统的状态；三是相变过程中熵的变化，熵在相变时会发生跳跃，即熵的不连续性。
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。
平衡态与非平衡态热力学的基本概念
平衡态与非平衡态热力学的基本概念热力学是研究能量转化和热力学过程的科学。
在热力学中，我们通常会遇到两种状态：平衡态和非平衡态。
本文将详细探讨这两种状态的基本概念和区别。
一、平衡态平衡态是指系统的宏观状态在经历一段时间后保持不变，不进行任何宏观的过程或变化。
在平衡态下，系统中各种宏观参量（如温度、压力、体积等）达到一定的均衡状态，不再发生变化。
平衡态是热力学所研究的基本状态，也是热力学理论的重要部分。
平衡态可以分为两种：热平衡态和力学平衡态。
热平衡态是指系统中各部分的温度相等，并且系统不会发生任何进一步的热量交换。
而力学平衡态则是指系统中没有任何内部力的不平衡存在，系统中各部分的压力相等。
平衡态可以通过热力学基本定律来描述。
基本定律表明，在任何自然过程中，系统处于平衡态时总是具有最大的熵。
熵是用来描述系统的无序程度的物理量，它在系统演化的过程中总是越来越大。
平衡态的熵最大，表明系统是无序的。
二、非平衡态非平衡态则是指系统的宏观状态在经过时间后发生了变化，需要消耗能量才能维持其状态。
在非平衡态下，物质和能量的交换往往非常活跃，系统不断吸收和释放能量，并且不断进行内部的变化和调整。
非平衡态主要分为两种：静态非平衡态和动态非平衡态。
静态非平衡态是指系统处于不变的状态，但是需要外部能量输入来维持其状态。
例如，我们可以将一段时间锤击的软水管子和刚锻制的金属部件视为静态非平衡态。
而动态非平衡态则是指系统内部发生了变化，需要消耗能量才能维持其状态。
例如，正在运转的内燃机和正在流动的河流可以被视为动态非平衡态。
非平衡态的熵则一般比平衡态的熵小。
然而，熵的变化可以用来描述系统的稳定性和动力学过程。
如果一个系统处于非平衡态，其熵的变化率则会比处于平衡态时更大。
因此，熵的变化率也可以用来描述一个系统的稳定性和动力学过程。
三、总结平衡态和非平衡态是热力学中的两种重要状态。
平衡态是指系统的宏观状态在时间上不变化，而非平衡态则是指系统在时间上发生了变化，需要消耗能量来维持其状态。
化学反应中的热力学与热平衡
化学反应中的热力学与热平衡热力学研究了能量转化和传递过程，维持系统的平衡状态。
在化学反应中，热力学起着至关重要的作用。
本文将重点讨论化学反应中的热力学概念和热平衡，以及如何通过热力学变量来描述和预测反应的方向和程度。
1. 热力学基本概念热力学研究物质和能量之间的关系，并通过热力学定律和关系来描述这些关系。
其中，熵（entropy）和焓（enthalpy）是热力学中基本的变量。
1.1 熵熵是描述系统无序度的物理量，用符号S表示。
熵增表示系统的混乱程度增加，而熵减表示系统的有序性增加。
根据熵变的正负可以判断反应的方向。
1.2 焓焓是系统的热能和对外界做功的总和。
它用符号H表示，可以通过测量热量变化和压强变化来计算。
2. 热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的应用。
它表明能量可以从一个形式转化为另一个形式，但总能量保持不变。
3. 热力学第二定律热力学第二定律描述了能量转化的方向和过程中的熵变化。
它包括熵的增加不可逆定律和熵的平均值不减小定律。
4. 热平衡和化学反应在化学反应中，热平衡是指反应物和生成物之间的转化达到一个稳定状态。
达到热平衡后，反应物和生成物的浓度、温度和压强保持不变。
4.1 反应的方向根据热力学第二定律，自发发生的反应方向使系统总的熵增加。
因此，化学反应会朝着熵增加的方向进行。
4.2 化学反应的平衡常数反应的平衡常数（K）可以通过研究热力学变量来确定。
平衡常数描述了反应物和生成物之间的浓度关系。
根据热力学原理，当反应到达平衡时，K达到一个稳定值。
5. 热力学变量的预测和优化热力学变量可以通过实验测量和计算来确定。
通过热力学数据，我们可以预测反应的方向和程度，并进行反应过程的优化。
5.1 热力学数据的获取热力学数据可以通过实验测量和计算获得。
热化学计量法可以测量压强随温度变化的斜率来获得焓变。
通过定压热容、压强和温度之间的关系，可以计算出熵变。
5.2 热力学数据的应用通过热力学数据，可以预测反应的平衡常数和反应的方向。
4-1热力学平衡的基本概念
太原理工大学物理系
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。
玻耳兹曼常数
太原理工大学物理系
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
太原理工大学物理系
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。
太原理工大学物理系
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。
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
太原理工大学物理系
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. 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
太原理工大学物理系
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
太原理工大学物理系李孟春编写
三 动态平衡与涨落 处在平衡态的大量分子永远进行热运动，由于碰 撞，每个分子的速度不断改变，但系统的宏观量 不随时间改变——动态平衡.
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.
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
热现象：物质中大量分子热运动的集体表现。 热学研究与热现象有关的性质和规律。
太原理工大学物理系李孟春编写
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。
在没有外界影响的情况下，
非平衡态
系统各部分的宏观性质可以 自发地发生变化的状态。
太原理工大学物理系李孟春编写
平衡态是理想化模型，我们研究平衡态的热学规律. 2 平衡条件 一定质量的气体，如果满足与外界无能量交 换，内部无化学反应、 核反应的条件， 依靠分子热运动可以使气体内各部分达到：
密度 均匀、 温度 T 均匀、 压强 P 均匀
2.微观描述方法---统计物理方法
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。
太原理工大学物理系李孟春编写
§4-1 热力学平衡的基本概念
一 气体状态参量 表示系统有关特性的物理量叫状态参量.
描述气体系统的状态参量有:体积V,压强P,温度T. 1.体积V
质量为M的气体，在标准状态下的状态参量
P0 1atm 1.01325 105 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
太原理工大学物理系李孟春编写
R 8.31J/K.mol
P nkT
n N 分子数密度 V
k R 1.381023J/K
NA
玻耳兹曼常数
太原理工大学物理系李孟春编写
t（F oF） 32 95（t oC）
摄氏温标与热力学温标的关系
t T 273.15
太原理工大学物理系李孟春编写
二 平衡态 1 引入平衡态概念的必要性
只有在系统处于平衡态的条件下，状态参量才有确 定的数值和意义。
热力学 状态
平衡态
在没有外界影响的情况下， 系统各部分的宏观性质长时 期不发生变化的状态。
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.
在SI中,单位是立方米. 2.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.
太原理工大学物理系李孟春编写
在SI中,单位:帕斯卡(pa) 1pa=1N·m-2
1 atm = 1.013105pa = 760mmHg 3.温度 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. 摄氏温标与华氏温标的关系
热力学第零定律为温度概念的建立提供了实 验基础, 互为热平衡的物体之间必存在一个相同 的宏观特征，即相同的温度.
太原理工大学物理系李孟春编写
五 状态方程
1 状态方程的概念 状态参量在平衡态下有确定的数值和意义，那么不同 状态参量之间有什么关系？
以理想气体为例，状态参量有p、V、T，由实验测 得， P、V、T三者有关系：
P不变Байду номын сангаас
盖—吕萨克定律
V/T=constant
V不变
查理定律
P/T=constant
太原理工大学物理系李孟春编写
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
1mol的理想气体在标准状态下，所占的体积 为22.4升.
太原理工大学物理系李孟春编写
f (T , p,V ) 0 气体的状态方程
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.
太原理工大学物理系李孟春编写
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
T不变 玻意耳-马略特定律
PV=constant
理想气体的 实验定律
平衡态时宏观量不随时间改变，如压强P恒定, 但不 能保证任何时刻大量分子撞击器壁的情况完全一样 ,称为涨落现象，分子数越多，涨落就越小。
箱子两侧粒子数不可能严格相同，这里的偏差也 就是涨落.
太原理工大学物理系李孟春编写
四 热力学第零定律 1 热平衡: 两物体通过热接触，经很长时间后达到 的宏观性质不再变化的状态称为热平衡态。
另一种常用形式
由理想气体状态方程
系统内有 N个分子 每个分子质量 m
PV M RT M mol
气体质量 M Nm
气体的摩尔质量
P N R T V NA
M mol N Am
P nkT 常用形式
NA 6.0231023 / mol
太原理工大学物理系李孟春编写
理想气体状态方程的两种形式
M
PV RT M mol