熱力學(xué)基礎(chǔ)教程課件目錄熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律理想氣體及其熱力學(xué)性質(zhì)相變與相平衡化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)基礎(chǔ)非平衡態(tài)熱力學(xué)簡(jiǎn)介熱力學(xué)在生活和工程中的應(yīng)用熱力學(xué)基本概念01功功是力在物體上產(chǎn)生位移的結(jié)果，也是能量的一種形式。在熱力學(xué)中，功通常用符號(hào)W表示，單位同樣是焦耳（J）。功可以是正功或負(fù)功，正功表示系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功，負(fù)功表示環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做功。熱熱是能量的一種形式，是由于溫度差異而引起的能量轉(zhuǎn)移。在熱力學(xué)中，熱通常用符號(hào)Q表示，單位是焦耳（J）。熱與功在熱力學(xué)中，系統(tǒng)是指我們研究的對(duì)象，它可以是一個(gè)物體、一組物體或一個(gè)區(qū)域。系統(tǒng)可以是開放系統(tǒng)或封閉系統(tǒng)。開放系統(tǒng)與環(huán)境之間有物質(zhì)和能量的交換，而封閉系統(tǒng)只與環(huán)境有能量的交換，沒(méi)有物質(zhì)的交換。環(huán)境是系統(tǒng)之外的所有其他事物。環(huán)境可以是自然界、其他物體或其他系統(tǒng)。系統(tǒng)與環(huán)境之間通過(guò)邊界進(jìn)行相互作用，邊界可以是實(shí)際的物理邊界，也可以是虛擬的邊界。系統(tǒng)環(huán)境系統(tǒng)與環(huán)境狀態(tài)是指系統(tǒng)在某一時(shí)刻的所有物理性質(zhì)的集合。狀態(tài)可以用一組狀態(tài)變量來(lái)描述，如溫度、壓力、體積、內(nèi)能等。狀態(tài)變量可以是廣延量或強(qiáng)度量，廣延量與系統(tǒng)的大小有關(guān)，如體積、質(zhì)量等；強(qiáng)度量與系統(tǒng)的大小無(wú)關(guān)，如溫度、壓力等。狀態(tài)過(guò)程是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間的變化。過(guò)程可以是可逆過(guò)程或不可逆過(guò)程?？赡孢^(guò)程是指系統(tǒng)和環(huán)境在過(guò)程中沒(méi)有任何能量的損失，可以完全恢復(fù)原狀的過(guò)程；不可逆過(guò)程是指系統(tǒng)和環(huán)境在過(guò)程中有能量的損失，不能完全恢復(fù)原狀的過(guò)程。過(guò)程狀態(tài)與過(guò)程熱力學(xué)第一定律02能量守恒在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，總能量（包括內(nèi)能和外能）保持不變，即能量不能被創(chuàng)造或消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。熱功當(dāng)量熱量和功在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中是等價(jià)的，即熱量可以完全轉(zhuǎn)化為功，反之亦然。第一定律表述內(nèi)能定義01物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子間勢(shì)能的總和稱為內(nèi)能。02熱量傳遞方式熱量可以通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式傳遞，其中傳導(dǎo)和對(duì)流需要介質(zhì)，而輻射不需要介質(zhì)。03熱量計(jì)算熱量的大小可以用熱傳導(dǎo)定律、熱對(duì)流定律和熱輻射定律進(jìn)行計(jì)算。內(nèi)能與熱量VS在力的作用下，物體沿力的方向移動(dòng)的距離與力的乘積稱為功。熱效率定義熱機(jī)在工作過(guò)程中，輸出的功與輸入的熱量之比稱為熱效率，通常用百分比表示。提高熱效率是熱機(jī)優(yōu)化的重要方向之一。功的定義功與熱效率熱力學(xué)第二定律03熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓？藙谛匏贡硎鲩_爾文表述第二定律表述由兩個(gè)可逆定溫過(guò)程和兩個(gè)可逆絕熱過(guò)程組成的循環(huán)，是理想熱機(jī)的循環(huán)模型。熱機(jī)輸出的凈功與輸入熱量的比值，用η表示?？ㄖZ熱機(jī)的效率η=1-T2/T1，其中T1和T2分別是高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟??？ㄖZ循環(huán)熱機(jī)效率卡諾循環(huán)與熱機(jī)效率熵表示系統(tǒng)無(wú)序度的物理量，用S表示。對(duì)于孤立系統(tǒng)，其熵值永不減少，即熵增加原理。不可逆過(guò)程指在自然條件下不能自發(fā)地逆向進(jìn)行的過(guò)程。例如，熱量從高溫物體傳到低溫物體、氣體自由膨脹等。這些過(guò)程都是不可逆的，因?yàn)樗鼈冞`反了熱力學(xué)第二定律。熵與不可逆過(guò)程理想氣體及其熱力學(xué)性質(zhì)04定義理想氣體是一種假想的氣體模型，其分子間無(wú)相互作用力，分子本身不占據(jù)體積。要點(diǎn)一要點(diǎn)二特點(diǎn)理想氣體具有簡(jiǎn)單、方便計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，是熱力學(xué)研究的基礎(chǔ)模型之一。理想氣體模型狀態(tài)方程描述理想氣體狀態(tài)參量之間關(guān)系的方程，即PV=nRT（P為壓強(qiáng)，V為體積，n為摩爾數(shù)，R為氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度）。應(yīng)用通過(guò)狀態(tài)方程可以計(jì)算理想氣體在不同條件下的壓強(qiáng)、體積和溫度等狀態(tài)參量。理想氣體狀態(tài)方程內(nèi)能理想氣體的內(nèi)能僅與溫度有關(guān)，與其他狀態(tài)參量無(wú)關(guān)。熱容理想氣體的定容熱容和定壓熱容均為常數(shù)，與氣體的種類和溫度有關(guān)。絕熱過(guò)程在絕熱過(guò)程中，理想氣體的壓強(qiáng)與體積的乘積保持不變，即PV^γ=常數(shù)（γ為比熱容比）。理想氣體熱力學(xué)性質(zhì)030201相變與相平衡0501熔融與凝固物質(zhì)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)或由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程，通常伴隨著潛熱的吸收或釋放。02汽化與液化物質(zhì)在液態(tài)與氣態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，包括蒸發(fā)、沸騰和冷凝等現(xiàn)象。03升華與凝華物質(zhì)在固態(tài)與氣態(tài)之間的直接轉(zhuǎn)變，不經(jīng)過(guò)液態(tài)階段。相變類型及特點(diǎn)在一定的溫度和壓力下，多相體系中各相的化學(xué)勢(shì)相等，即達(dá)到相平衡狀態(tài)。相平衡條件利用吉布斯自由能、熵、焓等熱力學(xué)函數(shù)判斷相平衡條件是否滿足。相平衡判據(jù)相平衡條件及判據(jù)表示兩種組分在不同溫度和壓力下的相平衡關(guān)系，包括溶解度曲線、熔點(diǎn)曲線等。二元系統(tǒng)相圖三元系統(tǒng)相圖相圖應(yīng)用表示三種組分在不同溫度和壓力下的相平衡關(guān)系，具有更復(fù)雜的相區(qū)劃分和相變規(guī)律。指導(dǎo)合金制備、材料加工、化學(xué)反應(yīng)等工藝過(guò)程，優(yōu)化工藝參數(shù)和產(chǎn)品性能。030201相圖及其應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)基礎(chǔ)06反應(yīng)進(jìn)度表示反應(yīng)進(jìn)行的程度，用ξ表示，單位為mol。熱化學(xué)方程式表明化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)變化和能量變化的方程式。反應(yīng)熱指在一定條件下，化學(xué)反應(yīng)吸收或放出的熱量，用ΔH表示，單位kJ/mol。化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)焓變判據(jù)熵變判據(jù)吉布斯自由能判據(jù)化學(xué)反應(yīng)方向判據(jù)在等溫等壓條件下，自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)總是向著ΔH<0的方向進(jìn)行。在等溫等容條件下，自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)總是向著ΔS>0的方向進(jìn)行。若ΔS<0，則反應(yīng)非自發(fā)；若ΔS=0，則反應(yīng)達(dá)到平衡。在等溫等壓條件下，自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)總是向著ΔG<0的方向進(jìn)行。ΔG=ΔH-TΔS，若ΔG<0，則反應(yīng)自發(fā)；若ΔG>0，則反應(yīng)非自發(fā)；若ΔG=0，則反應(yīng)達(dá)到平衡?；瘜W(xué)平衡常數(shù)在一定溫度下，可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值是一個(gè)常數(shù)，用K表示。K值越大，表示反應(yīng)進(jìn)行得越完全。影響因素溫度、壓力、濃度和催化劑等都會(huì)影響化學(xué)平衡的移動(dòng)。其中溫度對(duì)平衡常數(shù)的影響最為顯著?；瘜W(xué)平衡常數(shù)及影響因素非平衡態(tài)熱力學(xué)簡(jiǎn)介07指系統(tǒng)內(nèi)部各部分的物理性質(zhì)不均勻，存在梯度、流動(dòng)和變化的現(xiàn)象，如溫度差、壓力差、濃度差等引起的熱傳導(dǎo)、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部物理性質(zhì)的不均勻程度，非平衡態(tài)可分為近平衡態(tài)和非近平衡態(tài)。近平衡態(tài)指系統(tǒng)離平衡態(tài)不遠(yuǎn)，物理性質(zhì)的不均勻程度較小，可用線性響應(yīng)理論描述；非近平衡態(tài)指系統(tǒng)離平衡態(tài)較遠(yuǎn)，物理性質(zhì)的不均勻程度較大，需用非線性響應(yīng)理論描述。非平衡態(tài)現(xiàn)象非平衡態(tài)分類非平衡態(tài)現(xiàn)象及分類非平衡態(tài)熱力學(xué)基本方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。這些方程描述了系統(tǒng)內(nèi)部物理量的變化和相互之間的關(guān)系，是非平衡態(tài)熱力學(xué)的基礎(chǔ)。對(duì)于近平衡態(tài)，可采用Onsager倒易關(guān)系和線性響應(yīng)理論，得到描述系統(tǒng)行為的線性方程組；對(duì)于非近平衡態(tài)，需采用非線性響應(yīng)理論，建立描述系統(tǒng)行為的非線性方程組。非平衡態(tài)熱力學(xué)基本方程要點(diǎn)三熱傳導(dǎo)過(guò)程指熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞的過(guò)程。在近平衡態(tài)下，熱傳導(dǎo)過(guò)程滿足Fourier定律；在非近平衡態(tài)下，熱傳導(dǎo)過(guò)程可能出現(xiàn)熱波、熱激波等非線性現(xiàn)象。要點(diǎn)一要點(diǎn)二質(zhì)量傳遞過(guò)程指物質(zhì)在濃度梯度或壓力梯度作用下從一個(gè)位置向另一個(gè)位置傳遞的過(guò)程。在近平衡態(tài)下，質(zhì)量傳遞過(guò)程滿足Fick定律；在非近平衡態(tài)下，質(zhì)量傳遞過(guò)程可能出現(xiàn)對(duì)流、擴(kuò)散和反應(yīng)等非線性現(xiàn)象。化學(xué)反應(yīng)過(guò)程指在系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，物質(zhì)的種類和數(shù)量發(fā)生變化的過(guò)程。在非平衡態(tài)下，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程可能受到溫度、壓力、濃度等物理因素的影響，表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性行為。要點(diǎn)三非平衡態(tài)過(guò)程舉例熱力學(xué)在生活和工程中的應(yīng)用08能源轉(zhuǎn)換與利用過(guò)程中能量守恒的原理，指導(dǎo)能源的高效利用。熱力學(xué)第一定律揭示能量傳遞的方向性和不可逆性，為能源轉(zhuǎn)換技術(shù)和設(shè)備的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。熱力學(xué)第二定律如蒸汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等熱機(jī)的工作原理，提高能源利用率。熱力學(xué)循環(huán)熱力學(xué)在能源利用中的作用01利用熱力學(xué)原理設(shè)計(jì)廢棄物焚燒、氣化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廢棄物的無(wú)害化處理和資源化利用。廢棄物處理02應(yīng)用熱力學(xué)原理研究污染物擴(kuò)散、傳輸和轉(zhuǎn)化規(guī)律，為環(huán)境污染治理提供技術(shù)支持。環(huán)境污染控制03基于熱力學(xué)原理研究太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的轉(zhuǎn)換和利用技術(shù)，推動(dòng)綠色能源發(fā)展?？稍偕茉撮_發(fā)熱力學(xué)在環(huán)境保護(hù)