第六章 热力学基础

第六章化学热力学基础1、化学热力学的定义、主要内容及意义是什么？答：化学热力学是指把热力学中最基本的原理用来研究化学现象以及和化学有关的物理现象，应用于化学反应、物质状态的变化和各种物理化学过程。

化学热力学的主要内容是：(1)利用热力学第一定律来计算变化中的热效应问题，即研究化学变化和相变化过程中的能量转化，主要是吸热和放热的规律，应用于生产中的能量或热量衡算，以有助于在生产过程中更合理地利用能量。

(2)利用热力学第二定律及其热力学第三定律研究化学变化和相变化的方向与限度，建立化学平衡与相平衡的理论，这些理论是化学反应器设计及精馏、萃取、结晶等工艺单元操作的理论基础，应用于选择工艺路线、设计工艺装置、确定操作条件时。

化学热力学提供科学原理和方法，依据体系的宏观可测性质和热力学函数关系，判断给定条件下物质的稳定性和它们朝某一方向变化的能力，它给出化学反应过程或物理变化过程的热效应，它提供化学反应的深度及结晶、精馏、萃取的限度的计算方法。

2、热力学中的系统与环境各怎样定义？它们之间有何关系？系统与环境之间的能量传递和物质交换存在怎样的关系？答：系统是指将一部分物质从其余的物质中划分出来作为研究的对象；环境是指系统之外与系统密切相关的部分；系统与环境是共存的，在系统与环境之间总有一个实际存在的或想象中的界面存在。

系统与环境之间能量传递和物质交换的不同可分为三种情况：(1) 系统与环境之间既无物质的交换，也无能量的传递，这种系统称为隔离体系；(2) 系统与环境之间既有物质的交换，又有能量的传递,这种系统称为敞开体系。

(3) 系统与环境之间没有物质的交换，但有能量的传递,这种系统称为封闭体系。

3、状态函数是怎样定义？它具有哪些特性？内能是怎样定义？它的改变取决于什么？答：由系统的状态所确定的系统的各种热力学性质称为体系的状态函数。

它具有下列特性：(1)状态函数是系统状态的单值函数，状态一经确定，状态函数就有唯一确定的数值，此数值与系统到达此状态前的历史无关。

第六章 热力学基础练 习 一一. 选择题1. 一绝热容器被隔板分成两半，一半是真空，另一半是理想气体，若把隔板抽出，气体将进行自由膨胀，达到平衡后（ A ） (A) 温度不变，熵增加； (B) 温度升高，熵增加；(C) 温度降低，熵增加； (D) 温度不变，熵不变。

2. 对于理想气体系统来说，在下列过程中，哪个过程系统所吸收的热量、内能的增量和对外作做的功三者均为负值。

（ C ） (A) 等容降压过程； (B) 等温膨胀过程； (C) 等压压缩过程； (D) 绝热膨胀过程。

3. 一定量的理想气体，分别经历如图1(1)所示的abc 过程(图中虚线ac 为等温线)和图1(2)所示的def 过程(图中虚线df 为绝热线) 。

判断这两过程是吸热还是放热：（ A ） (A) abc 过程吸热，def 过程放热； (B) abc 过程放热，def 过程吸热； (C) abc 过程def 过程都吸热； (D) abc 过程def 过程都放热。

4. 如图2，一定量的理想气体，由平衡状态A 变到平衡状态B(A p =B p )，则无论经过的是什么过程，系统必然（ B ） (A) 对外做正功； (B) 内能增加； (C) 从外界吸热； (D) 向外界放热。

二.填空题1. 一定量的理想气体处于热动平衡状态时，此热力学系统不随时间变化的三个宏观量是P V T ，而随时间变化的微观量是每个分子的状态量。

2. 一定量的单原子分子理想气体在等温过程中，外界对它做功为200J ，则该过程中需吸热__-200__ ___J 。

3. 一定量的某种理想气体在某个热力学过程中，外界对系统做功240J ，气体向外界放热620J ，则气体的内能 减少，(填增加或减少)，21E E = -380 J 。

4. 处于平衡态A 的热力学系统，若经准静态等容过程变到平衡态B ，将从外界吸热416 J ，若经准静态等压过程变到与平衡态B 有相同温度的平衡态C ，将从外界吸热582 J ，所以，从平衡态A 变到平衡态C 的准静态等压过程中系统对外界所做的功为 582-416=166J 。

第六章 热力学基础§6-1 内能 功 热量一、内能内能：物体中所有分子无规则运动动能+势能（分子振动势能、相互作用势能）。

内能E()V P E E ,= 真实气体： ()T V E E ,=()P T E ,= （V P T ,,中有2个独立） 理想气体： ()PV i RT i M T E E 22===μ说明：⑴E 是状态的单值函数，由（V P T ,,）决定（V P T ,,中只有2个独立变量），⇒E 为态函数，其增量仅与始末二状态有关，而与过程无关。

⑵理想气体，()T E E =是温度的单值增加函数。

二、功与热量的等效性焦耳曾经用实验证明：如用做功和传热的方式使系统温度升高相同时，所传递的热量和所做的功总有一定的比例关系，即1卡热量=4.18焦耳的功可见，功与热量具有等效性。

由力学知道。

对系统做功，就是向系统传递能量，做功既然与传热等效，则向系统传热也意味着向系统传递能量。

结论：传递能量的两种方式 做功传热说明：做功与传热虽然有等效的一面，但本质上有着区别。

区别 做功：通过物体作宏观位移完成。

作用是机械运动与系统内分子无规则运动之间的转换。

从而改变内能。

传热：通过分子间相互作用完成。

作用是外界分子无规则热运动与系统内分子无规则热运动之间的转换。

从而改变了内能。

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧§6-2 热力学第一定律一、热力学第一定律一般情况下，当系统状态发生变化时，作功和传热往往是同时存在的。

设有一系统，外界对它传热为Q ，使系统内能由21E E →，同时。

系统对外界又作功为W ，那么用数学式表示上述过程，有：上式即为热力学第一定律的数学表达式，它表明：系统吸收的热量，一部分用来增加内能，一部分用来对外作功。

对微小过程： dW dE dQ += (6-2) 说明：⑴热力学第一定律就是能量转化与守恒定律，它是自然界中的一个普遍规律。

它也可表述为“第一种永动机是不可能制造成功的。

”⑵系统状态变化过程中，功与热之间的转换不可能是直接的，总是通过物质系统来完成。

第六章 热力学基础练 习 一一. 选择题1. 一绝热容器被隔板分成两半，一半是真空，另一半是理想气体，若把隔板抽出，气体将进行自由膨胀，达到平衡后（ A ） (A) 温度不变，熵增加； (B) 温度升高，熵增加；(C) 温度降低，熵增加； (D) 温度不变，熵不变。

2. 对于理想气体系统来说，在下列过程中，哪个过程系统所吸收的热量、内能的增量和对外作做的功三者均为负值。

（ C ） (A) 等容降压过程； (B) 等温膨胀过程； (C) 等压压缩过程； (D) 绝热膨胀过程。

3. 一定量的理想气体，分别经历如图1(1)所示的abc 过程(图中虚线ac 为等温线)和图1(2)所示的def 过程(图中虚线df 为绝热线) 。

判断这两过程是吸热还是放热：（ A ） (A) abc 过程吸热，def 过程放热； (B) abc 过程放热，def 过程吸热； (C) abc 过程def 过程都吸热； (D) abc 过程def 过程都放热。

4. 如图2，一定量的理想气体，由平衡状态A 变到平衡状态B(A p =B p )，则无论经过的是什么过程，系统必然（ B ） (A) 对外做正功； (B) 内能增加； (C) 从外界吸热； (D) 向外界放热。

二.填空题1. 一定量的理想气体处于热动平衡状态时，此热力学系统不随时间变化的三个宏观量是P V T ，而随时间变化的微观量是每个分子的状态量。

2. 一定量的单原子分子理想气体在等温过程中，外界对它做功为200J ，则该过程中需吸热__-200__ ___J 。

3. 一定量的某种理想气体在某个热力学过程中，外界对系统做功240J ，气体向外界放热620J ，则气体的内能 减少，(填增加或减少)，21E E = -380 J 。

4. 处于平衡态A 的热力学系统，若经准静态等容过程变到平衡态B ，将从外界吸热416 J ，若经准静态等压过程变到与平衡态B 有相同温度的平衡态C ，将从外界吸热582 J ，所以，从平衡态A 变到平衡态C 的准静态等压过程中系统对外界所做的功为 582-416=166J 。

第六章 热力学基础6.1某热力学系统由a 态沿acb 过程到达b 态,吸收热量335J ，而系统做功126J ，如图所示。

试问:（1）若经adb 过程系统对环境做功42J ，系统是吸热还是放热？热量传递的数值是多少？（2）当系统由b 态沿曲线ba 返回状态a 时，环境对系统做功为84J ，系统是吸热还是放热？热量传递的数值是多少？（3）若ΔE ad =E d -E a =167J ，ad 及db 过程是吸热还是放热？各为多少？ 解：JJQ J E E J A J JQ J E E J A J A Q E J A J Q ba ab ba ba adb ab adb adb acb acb ab acb acb 2932938420920984225125142209209421209126335.126,335传递的数值是则此过程是放热，热量则：，，且）已知（传递的数值是则此过程是吸热，热量则，则：）已知（则：由已知条件：得到-=--=-=∆-=∆-==+==∆=∆==-=-=∆==Jad J A E Q A J A Jdb J Q A J E E E J E E E E ad ad ad adadb db db db db ad ab a d ad 2092094216742142420421672092093过程吸热）知由（过程吸热，则，则，，且）已知（=+=+∆======-=∆∆+∆==∆-=∆6.2 在标准状态下的0.016kg 的氧气，分别经过下列过程从环境吸收了344.4J 的热量。

（1） 若为等温过程，求终态体积；（2）若为等容过程，求终态压强；（3）若为等压过程，求气体内能的变化。

321121211111110015.0ln 14.344,016.012m V e RT MP mV V V RT M m Q RT MP m V RT M m V P J Q Kg m mRT QM==⇒==⇒===可得：）等温过程：（根据：标况下，Pa P RT MPmV RT M m PV V Q P P V P V P Q T T C M m Q V 521211*********.152)(25)(:)2(⨯=⇒=⇒=+=⇒-=⇒-=且根据等容过程JQ E R R C C Q E T T C Mm E T T C M m Q P V V P 2464.3447575752725)()(:)3(1212=⨯==∆⇒===∆⇒-=∆-=等压过程？为什么？哪一个过程所需热量多量为多少？）压强不变，问各需热）体积不变；（，如加热时，（到加热初始温度的氮气，从，体积为压强为21400300008.010013.13.635K K m Pa ⨯)(675)300400(31.825300008.010013.1)(25)(25)(:)1(5121111212J Q T T T V P Q T T R M m Q T T C M m Q V V V V V =-⨯⨯⨯⨯⨯=⇒-=⇒-=⇒-=等容过程)(945)300400(25300008.010013.1)(27)(:)2(51211112J Q T T T V P Q T T C MmQ P P P P =-⨯⨯⨯⨯=⇒-=⇒-=等压过程。

大气物理学（大三）第六章 大气热力学基础一、热力学基本规律1、空气状态的变化和大气中所进行的各种热力过程都遵循热力学的一般规律，所以热力学方法及结果被广泛地用来研究大气，称为大气热力学。

2、开放系和封闭系(1) 开放系：一个与外界交换质量的系统(2) 封闭系：和外界互不交换质量的系统(3) 独立系：与外界隔绝的系统，即不交换质量也不交换能量的系统。

3、准静态过程和准静力条件(1)准静态过程: 系统在变态过程中的每一步都处于平衡状态(2) 准静力条件：P ≡Pe 系统内部压强p 全等于外界压强Pe4、气块（微团）模型气块（微团）模型是指宏观上足够小而微观上含有大量分子的空气团，其内部可包含水汽、液态水或固态水。

气块（微团）模型就是从大气中取一体微小的空气块，作为对实际空气块的近似。

5、气象上常用的热力学第一定律形式【比定压热容cp 和比定容热容cv 的关系cp= cv+R ，（R 比气体常数）】6、热力学第二定律讨论的是过程的自然方向和热力平衡的简明判据，它是通过态函数来完成的。

7、理解熵、焓（从平衡态x0开始而终止于另一个平衡态x 的过程，将朝着使系统与外界的总熵增加的方向进行；等焓过程: 绝热和等压；物理意义：在等压过程中,系统焓的增加值等于它所吸收的热量）8、大气能量的基本形式：（1）内能；（2）势能；（3）动能；（4）潜热能9、大气能量的组合形式（1）显热能：单位质量空气的显热能就是比焓。

（2）温湿能：单位质量空气的温湿能是显热能和潜热能之和。

（3）静力能: 对单位质量的干（湿）空气，干（湿）静力能：（4）全势能: 势能和内能之和称全势能10、大气总能量干空气的总能量: 湿空气的总能量: 二、大气中的干绝热过程1、系统（如一气块）与外界无热量交换（δQ=0)的过程，称为绝热过程。

286.0000)()(p p p p T T d ==κ（对未饱和湿空气κ= κd=R/Cp=0.286计算大气的干绝热过程） 例：如干空气的初态为p=1000hpa ,T0=300K ，当它绝热膨胀，气压分别降到900hpa 和800hpa 时温度分别为多少？2、干绝热减温率定义：未饱和湿空气块温度随高度的变化率的负值为干绝热减温率γv ，单位°/100mdp ρ1-dT c =αdp -dT c =δQ p p 2p k d V 21+gz +T c =E +Φ+U =E Lq +V 21+gz +T c =Lq +E +Φ+U =E 2p k m m C m k km K c g o pdd 100/1100/98.0/8.9≈===γ3、位温θ定义: 把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气压（常取1000hpa ）时应有的温度称位温。