热力学的基本概念

1、§41 热力学的基本概念本节介绍一些基本概念热力学系统 平衡态 准静态过程。一、热力学系统（Thermodynamic System）（系统）1.热力学系统在热力学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒子组成的物体或物体系称为热力学系统。在下一节中，将对热力学系统进行详细的讨论。外界环境（环境）：系统以外的物质1）概念：在热力学中，把要研究的宏观物体叫作热力学系统，简称系统，也称为工作物质。热力学系统是由大量分子组成的，可以是固体、液体和气体等。本章主要研究理想气体。与热力学系统相互作用的环境称为外界。2）热力学系统的分类：根据系统与外界是否有作功和热量的交换，系统可分为： 一般系统：

2、有功、有热交换 透热系统：无功、有热交换 绝热系统：有功、无热交换 封闭系统：无功、无热交换（又称为孤立系统）对于平衡态的系统，可以用压强、温度、体积来描述系统的状态。 根据系统与外界是否有物质和能量交换，系统可分为： 孤立系统：无能量、无质量交换isolated system 封闭系统：有能量、无质量交换closed system 开放系统：有能量、有质量交换Open system 绝热系统：无能量交换 adiabatic system二、平衡态1气体的物态参量对于由大量分子组成的一定量的气体，其宏观状态可以用体积V、压强P和温度T来描述。描述系统状态变化的物理量称为气体的物态参量。有体积(

3、V) 、压强(p)、温度(T)1）气体的体积（Volumn）V 几何参量气体的体积V是指气体分子无规则热运动所能到达的空间。对于密闭容器中的气体，容器的体积就是气体的体积。单位：m3注意：气体的体积和气体分子本身的体积的总和是不同的概念。2）压强（Pressure）P力学参量压强P是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等于容器壁上单位面积所受到的正压力。定义式为 单位：（1）SI制帕斯卡 Pa 1Pa=1N·m-2 （2）cm·Hg表示高度为1cm的水银柱在单位底面上的正压力。 1mm·Hg=1Toor (托) （3）标准大气压 1atm=76ch·Hg=

4、1.013×105Pa 工程大气压 9.80665×104Pa3）温度（Temperature）T热力学参量温度的概念是比较复杂的，它的本质与物质分子的热运动有密切的关系。温度的高低反映分子热运动激烈程度。在宏观上，我们可以用温度来表示物体的冷热程度，并规定较热的物体有较高的温度。对一般系统来说，温度是表征系统状态的一个宏观物理量。温度的数值表示方法叫作温标（Thermometer Scale），常用的有（1）热力学温标（Absolute Scale）T，SI制单位：K(Kelvin)（2）摄氏温标（Celsius Scale）t 单位：0C 00C水的三相点温度（the

5、Triple point） 1000C水的沸腾点温度（3）华氏温标（Fahrenheit Scale）F 单位0F 320C 水的三相点温度 2120C水的沸腾点温度关系： T=273.15+t 温度是热学中特有的物理量，它决定一系统是否与其他系统处于热平衡。处于热平衡的各系统温度相同。温度是状态的函数，在实质上反映了组成系统大量微观粒子无规则运动的激烈程度。实验表明，将几个达到热平衡状态的系统分开之后，并不会改变每个系统的热平衡状态。这说明，热接触只是为热平衡的建立创造条件，每个系统热平衡时的温度仅决定于系统内部大量微观粒子无规运动的状态。4）说明：气体的P、V、T是描述大量分子热运动集体特

6、征的物理量，是宏观量，而气体分子的质量、速度等是描述个别分子运动的物理量，是微观量。气体动理论就是根据假设的分子的模型，用统计的方法研究气体宏观现象的微观本质，建立起宏观量和微观量平均值之间的关系。mTVp2平衡态（Equilibrium State）把一定质量的气体装在一给定体积的容器中，经过一段时间以后，容器中各部分气体的压强P相等、温度T相同，单位体积中的分子数也相同。此时气体的三个物态参量都具有确定的值。如果容器中的气体与外界之间没有能量和物质的传递，气体分子的能量也没有转化为其它形式的能量，气体的组成及其质量均不随时间变化，则气体的物态参量将不随时间而变化，这样的状态一个系统在不受外

7、界影响的条件下，如果它的宏观性质不再随时间变化，我们就说这个系统处于热力学平衡态。反之，不同部分中，任何一个状态参量也就是说，经过一段较长的时间后，（1）容器中各部分气体的压强p相等、温度T相同。气体的物态参量都具有确定的值。（2）容器中的气体与外界之间没有能量和物质的传递。（3）气体的能量也没有转化为其他形式的能量，气体的组成及其质量均不随时间而变化。平衡态：气体的状态参量（p、V、T）不随时间变化的状态。说明：1）平衡态是一个理想状态；2）系统处于平衡态时，系统的宏观性质不变，但分子无规则运动并没有停止。所以平衡态是一种动态平衡；3）对于平衡态，可以用PV图上的一个点来表示。注意：只有近似

8、的平衡态，没有理想的平衡态；但以后研究的气体状态，若无特别声明，都指平衡态。三、准静态过程1热力学过程1）概念：热力学系统的状态随时间变化的过程叫作热力学过程。例：推进活塞压缩汽缸内的气体时，气体的体积，密度，温度或压强都将变化，在过程中的任意时刻，气体各部分的密度，压强，温度都不完全相同。2）分类：（1）按系统状态的变化与外界有无关系 自发过程 不借助外界的帮助，自动进行的过程 非自发过程在外界的帮助下进行的过程（2）按系统状态的进行的特征 等体过程体积不变 等压过程压强不变 等温过程温度不变 绝热过程与外界无热量交换（3）按系统变化的中间的状态是否平衡态 准静态过程中间过程也是平衡态：qu

9、asi_static Process 非准静态过程中间过程不是平衡态：NonEquilibrium statel 非静态过程显然过程的发生，系统往往由一个平衡状态到平衡受到破坏，再达到一个新的平衡态。从平衡态破坏到新平衡态建立所需的时间称为弛豫时间，用表示。实际发生的过程往往进行的较快，（如前例）在新的平衡态达到之前系统又继续了下一步变化。这意味着系统在过程中经历了一系列非平衡态，这种过程为非静态过程。作为中间态的非平衡态通常不能用状态参量来描述。l 准静态过程一个过程，如果任意时刻的中间态都无限接近于一个平衡态，则此过程为准静态过程。系统在始末两平衡态之间所经历的中间状态为近似平衡态的热力学

10、过程。显然，这种过程只有在进行的 “ 无限缓慢 ” 的条件下才可能实现。对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间远远大于弛豫时间才可近似看作准静态过程。（可见为理想模型）显然作为准静态过程中间状态的平衡态，具有确定的状态参量值，对于简单系统可用PV图上的一点来表示这个平衡态。系统的准静态变化过程可用p-V图上的一条曲线表示，称之为过程曲线。不难看出，准静态过程是我们为了研究问题的方便而引进的一种理想的极限，像前面我们所学习的理想气体、质点等等一样。但作为热力学的基础，我们要首先着重讨论它。而准静态过程作为一种理想化的过程，是实际过程无限缓慢进行极限情形。当一个过程进行的时间比驰豫时间大得多时，可认为是准静态过程。例如，推进活塞压缩气缸中的气体，驰豫时间为秒10-3秒。如果压缩一次所用的时间为1秒，则可以认为是准静态过程。气缸内的气体与外界的压强相等。另外还要注意的