热力学基本定律
热力学三大定律的概念
热力学三大定律的概念
热力学三大定律是指热力学基本定律中的三个基本原理，它们是：
1. 第一定律：能量守恒定律。
该定律表明，能量不可能从不存在转变为存在，也不可能从存在变为不存在，能量只能由一种形式转化为另一种形式，而总能量守恒不变。
2. 第二定律：热力学第二定律是指任何热机在工作过程中，都不能让热量全部转化为机械功，总有一部分热量被释放到低温环境中，使得热机的能效不可能达到100%。
简单来说，热力学第二定律描述了能量转化的不完全性。
3. 第三定律：同时，热力学第三定律指出，在绝对零度时，所有物质的熵都趋于零，也就是说，没有物质能够减为绝对零度以下。
第4章热力学基本定律
（1）系统内发生的所有变化都必须可逆
（2）系统与环境之间的相互作用也是可逆进行；
• （1）封闭体系
Wid U p0 V T0 S
• （2）稳流系统
体积功
1 2 Wid H u gZ T0 S 2
Wid H T0 S
动能和势能忽略
理想功
• 理想功实际上是一个理论上的极限值，在 与实际过程一样的始终态下，通常作为评 价实际过程能量利用率的标准；
（1）设备内各点的状态不随时间变化 （2）垂直于流向的各个截面处的质量流率相等。
1 1 m1 m2 Q Ws d mE H u 2 gZ H u 2 gZ 2 2 dt dt dt 1 dt 2 dt
4.2 热力学第二定律的各种文字表述
克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高 温物体
开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变
为有用的功而不引起其他变化
自发的过程是不可逆的
热机的热效率
高温热源 T1
W Q1 Q2 Q1 Q1
火力发电厂的热效率大约为35% 卡诺热机的效率
Q1 Q2 T1 T2 Q1 Q2 W Q1 Q1 T1 Q1
低温热源 T2
W 1 Q1
热与功不等价
熵的概念
T1 T2 Q1 Q2 T1 Q1
Q1 Q2 0 T1 T2
无限小的可逆的卡诺热机有：
Q1
T1
Q2
T2
0
任意的可逆循环
Qrev
T
0
熵是状态函数
dS
Qrev
T
热力学基础知识热力学第一定律和第二定律
热力学基础知识热力学第一定律和第二定律热力学基础知识：热力学第一定律和第二定律热力学是物理学的一个重要分支，研究的是能量转化和能量传递规律。
在热力学中，有两个基本定律，即热力学第一定律和热力学第二定律。
这两个定律是热力学研究的基础，对我们理解自然界中的能量转化过程具有重要意义。
一、热力学第一定律热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，是指在一个封闭系统内，能量既不能创造也不能毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
它可以用一个简单的公式来表示：△U = Q - W其中，△U表示系统内部能量的变化，Q表示系统所吸收的热量，W表示系统所做的功。
根据热力学第一定律，能量的转化是相互平衡的。
系统吸收的热量等于所做的功加上内部能量的变化，这一平衡关系保证了能量守恒的原理。
它告诉我们，能量不会凭空消失，也不会突然出现，而是在转化过程中得以保存。
二、热力学第二定律热力学第二定律是热力学中的另一个重要定律，它研究的是能量转化的方向和过程中的不可逆性。
热力学第二定律有多种表述方式，其中最常见的是开尔文表述和克劳修斯表述。
1. 开尔文表述开尔文表述是基于热量不会自发地从低温物体转移到高温物体的原理，它给出了一个重要的结论：热量是自然界中不能自发转化为功的能量形式。
这一定律被称为热力学第二定律的开尔文表述。
2. 克劳修斯表述克劳修斯表述是基于热力学中的循环过程和热量无法从一个唯一的热源完全转化为功的原理。
克劳修斯表述给出了一个重要结论：不可能制造出一个热机，使之完全将吸收的热量转化为功，而不产生任何其他效果。
这一定律被称为热力学第二定律的克劳修斯表述。
热力学第二定律告诉我们，能量转化过程中总会产生一定的损失，而且损失不可逆。
这很好地解释了自然界中许多现象，如热量的自发流动、热机效率的限制等。
总结：热力学是研究能量转化和能量传递规律的科学，其中热力学第一定律和第二定律是基本定律。
热力学第一定律表明能量在系统中的转化是相互平衡的，能量守恒不变。
化学热力学的基本定律
化学热力学的基本定律化学热力学是研究化学反应中热现象的科学，它揭示了物质在化学反应中的热变化规律。
在化学热力学的研究中，有一些基本定律被广泛应用，帮助我们理解和预测化学反应中的热现象。
本文将介绍化学热力学中的基本定律，包括热力学第一定律、热力学第二定律和熵增定律。
热力学第一定律是热力学的基本定律之一，也称为能量守恒定律。
它表明在一个系统中，能量的总量是守恒的，能量既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第一定律的数学表达式为ΔU = Q - W，其中ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外界做功。
根据热力学第一定律，系统吸收的热量等于系统内能的增加与对外界所做的功之和。
热力学第一定律的一个重要应用是热力学循环的分析。
在热力学循环中，系统经历一系列的热力学过程，最终回到初始状态。
根据热力学第一定律，整个热力学循环中系统的内能变化为零，即ΔU = 0。
这意味着系统在一个完整的热力学循环中，吸收的热量等于对外界所做的功，系统的总能量保持不变。
热力学第二定律是热力学中另一个重要的定律，也称为熵增定律。
热力学第二定律表明在一个孤立系统中，熵永远不会减少，只会增加或保持不变。
熵是描述系统无序程度的物理量，熵增定律可以解释为自然趋向于混乱的方向。
热力学第二定律还提出了热力学不可逆过程的概念，即在不可逆过程中系统的总熵必定增加。
熵增定律对于化学反应的方向和速率有着重要的影响。
在化学反应中，如果系统的总熵增加，那么这个反应是自发进行的；反之，如果系统的总熵减少，那么这个反应是不自发进行的。
通过熵增定律，我们可以预测化学反应的进行方向，以及了解反应的自发性和不可逆性。
除了热力学第一定律和热力学第二定律外，熵增定律也是化学热力学中的重要定律之一。
熵增定律指出在一个孤立系统中，熵的总变化永远大于等于零，即ΔS ≥ 0。
这意味着孤立系统中的熵永远不会减少，只会增加或保持不变。
熵增定律也可以解释为自然趋向于混乱的方向，系统总是倾向于朝着熵增加的方向发展。
热力学基本定律热一律
Q与W类比
能量传递方式 性质 推动力 标志参数 公式 公式适用条件 图示
W 过程量
Δp dV , dv
w pdv
准静态或可逆
P-V(示功图)
p
W
Q 过程量
ΔT dS , ds
q Tds
可逆
T-s（示热图）
T
Q
V
S
3、随物质传递的能量
1．流动工质本身携带的能量：u + c2/2 + g z
2．流动功(或推动功)
1）对于准静态、可逆过程，用上述公式计算，但还需要已 知p-v函数关系。
2）对于非平衡过程，不能用上述公式计算，但有些情况可 利用外界条件计算：
系统膨胀功=-外界反力对系统所做的功 若外力R已知，则：
2
w 1 Rdx
[例1]
空气从状态1 (p1，V1)膨胀到状态2 (p2，V2)， （1） p-V图上过程线为直线；（2）可逆定温过 程。求w
系统
dE
δW
储存能的变化量：dE 循环后： dE = 0
热一律：进入的能量 – 离开的能量 = 储存能的变化量
（2）能的导出
p1
对于循环1a2c1：
b
( Q W ) ( Q W ) 0
1a 2
2c1
a c
对于循环1b2c1：
2
( Q W ) ( Q W ) 0
V
1b 2
2c1
( Q W ) ( Q W )
p1
(1)
(2)
2
V
[例2]
大气压pb =0.1MPa，活塞+重物共195kg，面积 100cm2,初始状态下弹簧与活塞接触但不受力，弹 簧刚度150N/cm，把重物拿去100kg后，活塞无摩 擦上升20cm。求w
热学三大公式
热学三大公式
热学是物理学中的一个重要分支，涉及到热量、热力学能量、热传递等方面的知识。
在热学中，有三个非常重要的公式，分别是:
1. 热力学第一定律公式:Q = U + W
这个公式表示热量 Q 等于内能 U 加上摩擦功 W。
它表明了热量和内能之间的关系，说明了热传递的根本原因是物体之间的内能差异。
这个公式在解释热传递现象和计算热传递的热量时非常有用。
2. 热力学第二定律公式:N = Q - W
这个公式表示净热量 N 等于热量传递 W 减去摩擦功 N。
它表明了热量传递的方向和热量传递的多少取决于内能差异的大小，而与摩擦功无关。
这个公式在解释热传递的规律和计算热量传递的效率时非常有用。
3. 热力学第三定律公式：热量不可能自发地从低温物体传到高
温物体
这个公式表示热量传递是一种自发的过程，也就是说，热量传递是从高温物体向低温物体传递的。
这个公式表明了热传递是一种不可避免的自然现象，同时也说明了热量传递的根本原因是物体之间的内能差异。
这个公式在解释热传递现象和计算热传递的热量时非常有用。
这三个公式是热学中最基本的公式，对于理解热学概念和应用具有非常重要的意义。
此外，热学还有很多其他的公式和规律，例如热力学第二定律的另一种表述方式——熵增定律，以及热力学第三定律的应用，等等，这些都需要深入学习才能掌握。
高考物理：热力学三大定律总结!
高考物理：热力学三大定律总结！热力学第一定律是能量守恒定律。
热力学第二定律有几种表述方式：克劳修斯表述为热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体；开尔文-普朗克表述为不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全变为功，而不产生其他影响。
以及熵增表述：孤立系统的熵永不减小。
热力学第三定律通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零，或者绝对零度（T=0）不可达到。
第一定律热力学第一定律也就是能量守恒定律。
自从焦耳以无以辩驳的精确实验结果证明机械能、电能、内能之间的转化满足守恒关系之后，人们就认为能量守恒定律是自然界的一个普遍的基本规律。
内容一个热力学系统的内能U增量等于外界向它传递的热量Q与外界对它做功A的和。
（如果一个系统与环境孤立，那么它的内能将不会发生变化。
）符号规律热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功，向外界散热和内能减少的情况，因此在使用：△E=-W+Q时，通常有如下规定：①外界对系统做功，A>0,即W为正值。
②系统对外界做功，A<0,即W为负值。
③系统从外界吸收热量，Q>0，即Q为正值④系统从外界放出热量，Q<0，即Q为负值⑤系统内能增加，△U>0，即△U为正值⑥系统内能减少，△U<0，即△U为负值理解从三方面理解1.如果单纯通过做功来改变物体的内能，内能的变化可以用做功的多少来度量，这时系统内能的增加（或减少)量△U就等于外界对物体（或物体对外界）所做功的数值，即△U=A2.如果单纯通过热传递来改变物体的内能，内能的变化可以用传递热量的多少来度量，这时系统内能的增加（或减少)量△U就等于外界吸收（或对外界放出）热量Q的数值，即△U=Q3.在做功和热传递同时存在的过程中，系统内能的变化，则要由做功和所传递的热量共同决定。
在这种情况下，系统内能的增量△U就等于从外界吸收的热量Q和外界对系统做功A之和。
热力学与统计物理：第一章 热力学基本定律
不可逆过程间的关联;
热力学第二定律指出一切与热现象 有关的实际过程都有自发进行的方 向,是不可逆的.
不可逆过程发生后,无法在不引起其它变 化的情况下,使系统由终态回到初态,一个 过程是否可逆实际是由初态和终态的相 互关系决定的,可以引入一个态函数.
§1.11卡诺定理
因此有可以定义
Q2 Q1
f (1,2)
热源的某种温标
定义另一热机
Q1 Q3
f (3,1)
函数f可分离变量！
联合两热机 Q3
Q1
Q2
Q2 Q3
f (3,2)
Q2 Q1
f
1,2
f (3,2 ) f (3,1)
因此
Q2 Q1
f f
(2 ) (1)
T2 T1
关于绝对零度
二.两种温标的一致性
1.理想气体的卡诺循环效率：
一.所有工作于两个一定温度之间的热机，以可逆热机的效率最高。
A B
二.两个可逆热机，存在着： A B
对于可逆机，设其从高温及低
温热源的吸热及放热分别为Q1
Q1
Q1
及Q2，对外作功W，如果存在 一个热机，其效率比可逆热机
W
W W Q2 Q'2 的效率高，也就是说它从高温
热源吸收同样的Q1时，对外作
D. 绝热压缩
I ( p4,V4,T2 ) I ( p1,V1,T1)
外界对系统作 功，内能增加
W
Q1
Q2
RT1
ln
V2 V1
RT2
ln
V3 V4
又因为T1V2 1
1
1
T2V3 ,T1V1
1
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P
P0 δWu P0dV
热力学第一定律的文字表达式
进入热力 系的能量
-
离开热力 系的能量
=
热力系内部总 能量的变化
§ 2-2 热力学第一定律的一般表达式
能量守恒原则
进入系统的能量
m1
uin
离开系统的能量
1 c 2
2
1
gz1
Wtol Q
m2
1 c 2
=
系统内部总能量的变化
2
2
[Q + m1(u1 + c1 + gz1)] -[ m2(u2 + c22/2 + gz2) + Wtol] = dE
2/2
u2 gz2
热力学第一定律一般表达式又称开口系能量方程微分式
Q= dE + m2(u2 +c22/2 + gz2) m1(u1 +c12/2 + gz1) + Wtol 当有多条进出口：
1.内储存能（内能、热力学能） U _____ 代表储存 于系统内部的能量。 热力学能(内能)的微观组成：
移动动能
分子动能 热力学能(内能)U 分子位能 转动动能 振动动能
f 1 T
f 2 T , v
2.外部储存能
宏观动能 Ek= mc2/2 宏观位能 Ep= mgz
热力学能，内部储存能
机械能
热力系统的总能量=内部储存能+外部储存能 E = U + (Ek + Ep)
总能 宏观动能 宏观位能 外部储存能
热力系统单位质量工质具有的总能量
e = u + ek + ep
热力学能（内能）的说明： 热力学能(内能)是状态量 U : 广延参数 [ kJ ] u : 比参数 [kJ/kg] 内能总以变化量出现，内能零点人为定
开口系稳定流动能量方程推导
Q= dE + m2( u2 + p2v2 +c22/2 + gz2) -
m1( u1 + p1v1
+ c12/2 + gz1) + Ws
流动时，总一起存在
定义： 焓 h = u + pv 单位 [ kJ/kg ] 是状态量
焓的物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决于热力状
Q= dE + ∑m2(u2 +c22/2 + gz2) ∑m1(u1 +c12/2 + gz1) + Wtol
开口系能量方程
Q =dE + ∑(u2+ c22/2 + gz2) m2
- ∑(u1+ c12/2 + gz1) m1 + Wtol
2.闭口系能量方程
一般式
Q = dU + W
3、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，
而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量
可理解为：流动工质进出系统使所携带和所
传递的一种能量。
3 轴功Ws
热力系通过叶轮机械的 轴和外界交换的功量称∽。
4 有用功Wu
凡是可以提升重物，驱 动机器的功统称为∽。如轴 功和电功。反之，则为无用 功 分析活塞汽缸系统中气体的作功问题
三、功和热量——迁移能几种常用功的介绍1.体积功（或膨胀功）W
——系统体积膨胀或压缩时与外界交换的功量。 可逆过程或准静态过程
W pdV
1
2
功量正负号规定： 系统膨胀对外界做功，功为正 W > 0 （即dV>0，膨胀） 外界对系统做功，功为负 W < 0 （即dV<0，压缩 ）
2 流动功
Q = U + W
q = du + w q = u + w
Q 单位工质
W
适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程
对闭口系热力循环能量方程
Q W
闭口系能量方程
w = pdv q = du + pdv
q u pd
1 2
q = du + w
分析: 1.简单可压缩闭口系准静态过程能量方程
热一律解析式之一
2.简单可压缩闭口系可逆过程能量方程:
q = Tds
Tds = du + pdv
Tds u pd
1 1 2 2
门窗紧闭房间用电冰箱降温？
以房间为系统 由闭口系能量方程 绝热闭口系
Q U W
Q0
W 0
电 冰 箱
U W 0
T
门窗紧闭房间用空调降温
以房间为系统 由闭口系能量方程 闭口系
Q U W
Q0
W 0
Q
U Q W
空 调
Q W
T
例 绝热自由膨胀
如图， 抽去隔板，求 U
解：取气体为热力系 —闭口系？开口系？
Q U W
Q0
? 0 W
U 0
即U1 U 2
结论：绝热自由膨胀，膨胀前后气体温度不变
§2-5
开口系稳定流动能量方程
不随时间变化（注意：不同截面参数可不同）
稳定流动：是指热力系统在任意截面上工质的一切参数都 稳定流动条件：
1、进出口处工质状态不随时间变化。 2、进出口处工质流量相等，且不随时间改变，满足质量守恒.
m m AC m
1 1 2
1
v
AC
2
2
态的能量。
∴Q = dE + m2( u2 + h2p2v2 +c22/2 + gz2) m1( u1 + h1p1v1 +c12/2 + gz1) + Ws
W推挤功 = p A l = pV
w 推挤功 = pv
流动功Wf :系统维持物质流动所花费的代价 Wf = （pV）2 - （pV）1 Q
mout
min
W
注意：
A
不是 pdv v 没有变化
p
p V l
对流动功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
§2-1 热力学第一定律
一、热力学第一定律实质 实质：能量守恒及转换定律在热过程中的应用 热力学第一定律的表述:
热能和机械能之间可以相互转移或转换,在转移或转换过程中 能量的总量必定守恒。
要想得到功，必须化费热能或其它能量
热力学第一定律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”
二、热力学能（内能）和热力系统的总能量
1
v
2
3、系统与外界交换的热量与功量不随时间改变，满足能量守恒
Q Const W net s Const W dE=0 s
一、开口系稳定流动能量方程的推导
u1 m1 1 c p1v1
2
2
1
gz1
Ws
Q
m2 1 p2v2
u2
2 c
2 2
gz2
进入系统的能量-离开系统的能量=系统内部总能量的变化 [Q + m1[u1 + p1v1 + c2/2 + gz] - [m2[u2 + p2v2 + c22/2 + gz2 + W s ]= dE