文档介绍：热力学
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热力学是热学理论的一个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质,它提示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。它是总结了物质的宏观现象而得到的热学理论,不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。因此,它是一种唯象的宏观理论。它具有高度的可靠性和普遍性。
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准静态过程
quasi-static process
(平衡过程)
在热力学中,常把所研究的体系叫做热力学系统,当热力学系统的状态随时间变化时,就说系统经历了一个热力学过程。设系统由某一平衡态开始变化,状态的变化必然要破坏平衡,原来的平衡被破坏后需要经过一段时间才能达到新的平衡态。然而过程往往进行得较快,在没有达到新的平衡之前又继续了下一步的变化。这样在过程中必然要经历一系列的非平衡态,这种过程就称之为非平衡过程。但在热力学中具有重要意义的是所谓准静态过程,在这种过程进行中的每一时刻,系统都处于平衡态,可以看出,这只是一种理想的过程。
first law of thermodynamics
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看如下例子:一个带有活塞的容器,里面贮有气体,气体与外界处于热平衡,即外界温度T0保持不变。气体的状态参量用P0、T0表示。将活塞迅速上提,则气体体积膨胀,从而破坏了原来的平衡态。当活塞停止运动后,经过足够长的时间,气体将达到新的平衡态,具有各处均匀一致的压强P和温度T0。
但是在迅速上提活塞的过程中,一般来说气体内各处的温度和压强都是不均匀的,即气体每一时刻都处于非平衡状态。例如压强在上提活塞的过程中,靠近活塞处的气体压强显然比远离活塞处的压强要小,要使各处压强趋于平衡则需要一定的时间。若上提活塞极其迅速,气体就往往来不及使各处压强趋于一致,这就是非静态过程的例子。
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什么是准静态过程呢?仍用上面的系统,设活塞与器壁间无摩擦,并且控制外界压强,使它在每一时刻都比气体压强大一微小量,这样气体将被缓慢地压缩。如果每压缩一步,也就是当气体体积减小一微小量V时,所经过的时间都比压强趋于平衡所需的时间长,那末在压缩过程中,系统就几乎随时接近平衡态。所以准静态过程就是这种过程无限缓慢进行的理想极限,在过程进行中每一时刻系统内部的压强都等于外界的压强。这种极限情况在实际上虽然不能完全作到,但却可以无限靠近。
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对于一定量的气体来讲,状态参量P、T、V中只有两个是独立的,所以给定任意两个参量的数值就可确定一个平衡态。在P--V图上,任一点都对应着一个平衡态,而非平衡系统由于没有统一确定的参量,就不能在图中表示出来。在图中任一条线都代表一个准静态过程。
P
V
0
实际过程当然都是在有限的时间内进行的,不可能是无限缓慢的。但是在很多情况下,可以近似地把实际过程看作是准静态过程来处理。以后我们讨论的过程,除非特别声明一般都是指准静态过程。当然把实际过程当作准静态过程来处理,毕竟是有误差的,当要求的精确度较高时,还需要将所得的结果作一定的修正。当然如果过程进行得很快,例如爆炸过程就不能看作准静态过程了。
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功 work
功是能量变化的一种量度。在物理学中能量是物质运动的量度,是物质状态的基本参量之一。对物体或系统作功,或者物体和系统对外界作功,物体和系统的状态就有所变化,物体或系统的能量也相应有所增加或减少。例如在重力场中重力对物体作功,势能减少,动能相应增加;电源中的非静电力作功,电能增加,其他能相应减少;电路中的电力作功,电能减少,其他能相应增加。在一般情况下,系统可通过多种方式和外界交换能量。热力学系统可以通过机械的或电磁的相互作用交换能量。
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dl
F=ps
在热力学系统中,准静态过程的功具有重要意义。以气体膨胀为例:
设有一气缸,其中气体压强为P,活塞面积是S,活塞与器壁间无摩擦。当活塞移动一微小距离 dl 时,由于是准静态过程,过程进行的速度趋近于0。气体在任何时刻都处于平衡态,从而具有均匀压强P。
在这个过程中气体所作的功为
式中dV是气体体积的微小增量。
气体膨胀时,dV>0 则 dA>0 系统对外作功
气体压缩时,dV<0 则 dA<0 外界对气体作功
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P
P1
P2
V
V1
V2
dV
在某一准静态过程中,当系统的体积由V1变为V2时,系统所作的总功为
前面讲过任一准静态过程可以用P-V图上的一条曲线来表示,曲线下的一小矩形面积就等于PdV,而整个曲线下的面积就等于A。
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另外还可看出,如果系统是沿着虚线所示的过程进行,那末气体所作的功就等于虚线下的面积,它比实线所示的过程的功要大。因此我们可以得出结论:只给定初态和终态并不能确定功的数值,功的数值与过程有关,即从一定的初态经不同过程到达一定的终态时,功的数值是不同的。
从以上的讨