文档介绍：第一章热力学基础
在众多的自然现象中,热现象是最基本的一类。它显示出物体的宏观物理性
质的变化与温度有关的特征。例如,物体的热胀冷缩、物态的转化、热处理过程中
材料性能的变化等,无一不与温度的变化密切相关。
热力学是研究热现象的宏观理论。人们通过对自然界大量热现象的长期观
察、实验和总结,归纳和概括出了许多唯象的宏观规律,其中最基本的是三条定律:
热力学第一定律、第二定律和第三定律。热力学理论就是以这三条定律为基础,应
用数学方法,通过逻辑演绎,研究各种热现象的规律及物质系统的热力学性质的理
论。由于热力学方法不需要任何假设,它的出发点是客观的实验事实,所以它的结
论是普遍的和可靠的,是适合一切物质系统的,这是热力学理论的一个重要特征。
然而热力学理论没有考虑物质的微观结构,对热现象只是宏观的、唯象的描述,这
就决定了它的局限性:只能建立热力学量之间的关系,不能给出关于物质系统的具
体知识,不能对物质系统的宏观性质给予本质的说明,也不能解释与微观运动密切
相关的宏观性质的涨落现象。
热力学的理论,在实践中已经获得了十分广泛的应用。它曾有力地推动过产
业革命,在近代发展起来的许多学科与生产技术领域都会涉及到热力学的基本理
论。例如,热力学理论提供了提高热机效率的途径,也为预测化学反应的可能性提
供了理论依据。所以,热力学既是一门理论性很强的物理学分支学科,又是一门与
实际应用关系极为密切的基础学科。
尽管热力学已形成了独立而完整的理论体系,并且在广泛的领域里得到应用,
但是无论从理论的还是应用的角度来看,其发展前景仍很广阔,一些重大的理论课
题亟待解决,一些新的领域需要不断探索,尽管每前进一步都将是十分艰难的。然
而可以肯定地讲,热力学理论研究上的突破还会不断出现,实际应用的领域也会进
一步扩大。
基本概念
系统与环境
热力学把所研究的对象称为系统,把与系统密切相关的其余部分称为环境。
系统与环境之间可以是实际的物理界面也可以是假想界面。环境与系统可以通过
界面进行物质的传递和能量的交换。按照不同的传递和交换内容,可以把系统分
为三类:
敞开系统
系统与环境之间既有能量的交换,又有物质的传递。
)封闭系统
系统与环境之间只有能量的交换,而无物质的传递。
孤立系统
系统与环境之间既无能量的交换,也无物质的传递。
孤立系统又称为隔离系统。事实上,绝对的孤立系统是不存在的。但若所研
究的系统与环境的能量交换和物质传递作用小到可以忽略不计时,系统则可认为
是孤立的。如在钢瓶中瞬间完成的化学反应,则可将化学反应系统看成是孤立系
统。系统的划分在热力学中十分重要,处理实际问题时,如能适当地选择系统,往
往可使问题简化。
在热力学中,我们把只含有一种化学物质的系统称为单组分系统,含有一种以
上化学物质的系统称为多组分系统。如果系统内部的物理性质和化学性质完全均
匀,则称为均相系统;系统内部的物理性质和化学性质不是完全均匀的,则称为多
相系统。
性质与状态
在热力学中,用系统的宏观性质如系统中物质的质量、温度、体积、压力等来描
述系统的热力学状态,这些宏观性质就称为系统的热力学性质。系统的热力学状
态是系统所有热力学性质的综合表现。当系统的各种热力学性质确定后,系统的
状态也就被确定下来。反之,当系统的状态确定以后,所有的宏观性质也就被惟一
地确定了。因此,系统的热力学性质是系统状态的单值函数,所以又被称为状态函
数。根据状态函数的特点可将其分为两类:
广度性质
这类性质的数值与系统所含物质的量有关。广度性质具有加和性,即整个系
统的某一广度性质的数值等于系统各部分这种性质的数值的加和,例如质量、体积
等。
)强度性质
这类性质的数值与系统所含物质的量无关。强度性质不具有加和性,即整个
系统的某一强度性质的数值不等于系统各部分这种性质的数值的总和,例如温度、
压力等。
过程与途径
系统的状态随时间发生一系列变化,这种变化称为过程。在热力学中常见的
有等温过程、等压过程、等容过程、绝热过程等。完整地描述系统的变化应指明系
统的始态、末态及变化的具体过程。系统状态发生变化时所经历的过程的总和称
为途径。从指定的始态变化到指定的末态,可以采用不同的途径来完成。例如,一
定量的理想气体由的始态变化到的末态,可以先采
用维持温度不变的等温过程变化到压力为,然后再维持压力不变,经过等
压过程升温到。也可以先采用维持压力不变的等压过程,升温到,然后
再维持温度不变,经过等温过程使压力降低到。因此在指定的始末态之
间,系统的变化可以通过上述两条不同的过程和途径来完成,当然还存在其