热力学基础知识

热力学知识：热力学中的热力学基本理论热力学是自然科学领域中研究热、能量和物质相互关系的学科，是物理学、化学、工程学和生物学等学科之间交叉融合的前沿领域。

热力学基本理论是热力学的基础，它描述了热力学系统中的能量和物质的宏观行为及其相互作用关系，是理解和应用热力学的关键。

一、热力学基本概念1.系统和环境在热力学中，我们通常将研究对象称之为“系统”，而将实验室外部相对于系统的部分称为“环境”。

系统和环境之间可以有热、功和物质的变化，系统和环境总是通过一种或多种形式的相互作用联系在一起。

热力学系统可以分为开放系统、闭合系统和孤立系统三种类型。

开放系统可以与周围环境进行质量交换，闭合系统在保持质量不变的同时可以与环境进行能、质量交换，而孤立系统不能与环境进行质量和能量的交换。

热力学函数是热力学系统中各种状态量之间的函数关系，可以描述热力学系统中的各种宏观参数。

其中，压力、温度、体积和摩尔数这四个参数成为状态变量，它们的变化直接决定了热力学系统的状态。

热力学函数包括内能、焓、自由能和吉布斯自由能等。

内能是热力学系统中所有微观粒子的能量和，焓是内能和体积之积，自由能是内能和温度乘积减去体积和摩尔数乘积的和，而吉布斯自由能则是内能、压强、温度、体积和摩尔数的函数。

3.热力学过程热力学过程是指在热力学系统中，各种状态量随着时间的推移而发生变化的过程。

热力学过程可以分为等温过程、等压过程、等体过程、绝热过程等。

在等温过程中，热力学系统的温度保持不变，而压强和体积发生变化；在等压过程中，热力学系统的压强保持不变，而体积和温度发生变化。

等体过程和等温过程非常相似，只是不同的状态方程和热力学函数在等体过程中起作用。

热力学定律是描述热力学系统中能量守恒和热力学过程的基本法则。

目前，人们已经发现了四条基本热力学定律，分别为零热力学定律、第一热力学定律、第二热力学定律和第三热力学定律。

1.零热力学定律零热力学定律说的是，如果两个热力学系统和第三个热力学系统达到热平衡，则这三个热力学系统之间既可以相互交换热量，又可以相互交换功、质量等，其温度是相等的。

热力学基础知识点热力学是物理学中涉及能量转化和传递的分支学科，用于研究物质的宏观关系。

本文将介绍热力学的基本概念和相关知识点。

1. 系统和环境热力学中将要研究的物体或物质称为系统，而系统周围的一切都被称为环境。

系统和环境是通过能量和物质的交换相互联系在一起的。

2. 状态函数状态函数是描述系统状态的物理量，与路径无关。

其中，最常见的状态函数是内能（U）、体积（V）、压力（P）和温度（T）。

内能表示系统的总能量，体积表示系统占据的空间大小，压力表示系统内部的分子运动产生的压强，温度表示系统内部分子的平均动能。

3. 热力学第一定律热力学第一定律也称为能量守恒定律，它表明能量既不能被创造也不能被销毁，只能在不同形式之间转化或传递。

根据热力学第一定律，系统的能量变化等于从环境传递给系统的热量（Q）减去系统对环境做功（W）所得。

4. 热容热容是指单位质量物质在温度变化时吸收或释放的热量。

具体地说，热容可以分为定压热容（Cp）和定容热容（Cv）。

定压热容表示在恒定压力下物质的热容，而定容热容表示在不允许体积发生变化的情况下物质的热容。

5. 热力学第二定律热力学第二定律阐述了物理系统自发过程的方向性，即系统在孤立状态下会趋向自发变化，使得熵增加。

熵是衡量系统无序程度的物理量，热力学第二定律指明了熵在孤立系统中不会减少的方向。

6. 热力学循环热力学循环是一个系统完成一次完整的运动后，回到初始状态的过程。

常见的热力学循环包括卡诺循环、斯特林循环和朗肯循环等。

这些循环通过能量的转化和传递实现了各种实用机械和热力学系统的工作。

7. 相变相变是物质在一定条件下从一种相态转化为另一种相态的过程。

常见的相变包括固态到液态的熔化、液态到气态的汽化、液态到固态的凝固等。

相变与热力学中的热量交换密切相关。

8. 热力学平衡热力学平衡是指系统各部分之间没有任何不均匀性或者不稳定性，系统处于平衡状态下。

根据热力学平衡原理，系统通过热传递、物质传递或机械传递达到平衡状态。

热力学基础知识热力学是一门研究能量转化与传递的学科，是自然科学的基础。

热力学的概念源于研究热与功之间的相互转化关系，以及能量在物质之间的传递过程。

本文将通过介绍热力学的基本概念、热力学定律和热力学过程，帮助读者了解热力学的基础知识。

1. 热力学的基本概念热力学研究的对象是宏观体系，即指由大量微观粒子组成的物质系统。

热力学通过对体系的宏观性质进行观察和测量，来揭示物质和能量之间的关系。

热力学的基本概念包括系统、热、功、状态函数等。

系统是热力学研究的对象，可以是孤立系统、封闭系统或开放系统。

孤立系统与外界不进行物质和能量交换，封闭系统与外界可以进行能量交换但不进行物质交换，开放系统则可以进行物质和能量的交换。

热是能量的一种传递方式，是由高温物体向低温物体传递的能量。

热的传递方式有导热、对流和辐射。

功是对系统做的物质微观粒子在宏观层面的效果，是由于力的作用而引起物体位移的过程中所做的功。

例如，当一个物体被推动时，根据物体受力和运动方向的关系，可以计算出所做的功。

状态函数是由系统的状态决定的宏观性质，不依赖于热力学过程的路径，只与初态和终态有关。

常见的状态函数有温度、压力、体积等。

2. 热力学定律热力学定律是热力学基础知识的核心内容，揭示了宏观物质之间相互作用的规律。

第一定律：能量守恒定律，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。

热力学第一定律表达了能量的守恒关系，即系统的内能变化等于吸收的热量与做的功的差。

第二定律：热力学第二定律描述了自然界的能量传递过程中不可逆的方向。

它说明热量会自发地从高温物体传递到低温物体，而不会反向传递。

热力学第二定律还提出了热力学箭头的概念，即自然界中某些过程的方向是不可逆的。

第三定律：热力学第三定律说明在绝对零度（0K）下，熵（系统的无序程度）将趋于最低值。

此定律进一步阐述了热力学中的温标和熵的概念。

3. 热力学过程热力学过程描述了系统由一个状态转变为另一个状态的过程。

一. 教学内容：热力学基础（一）改变物体内能的两种方式：做功和热传递1. 做功：其他形式的能与内能之间相互转化的过程，内能改变了多少用做功的数值来量度，外力对物体做功，内能增加，物体克服外力做功，内能减少。

2. 热传递：它是物体间内能转移的过程，内能改变了多少用传递的热量的数值来量度，物体吸收热量，物体的内能增加，放出热量，物体的内能减少，热传递的方式有：传导、对流、辐射，热传递的条件是物体间有温度差。

（二）热力学第一定律1. 内容：物体内能的增量等于外界对物体做的功W和物体吸收的热量Q的总和。

2. 表达式：。

3. 符号法则：外界对物体做功，W取正值，物体对外界做功，W取负值，吸收热量Q取正值，物体放出热量Q取负值；物体内能增加取正值，物体内能减少取负值。

（三）能的转化和守恒定律能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式或从一个物体转移到另一个物体。

在转化和转移的过程中，能的总量不变，这就是能量守恒定律。

（四）热力学第二定律两种表述：（1）不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。

（2）不可能从单一热源吸收热量，并把它全部用来做功，而不引起其他变化。

热力学第二定律揭示了涉及热现象的宏观过程都有方向性。

（3）热力学第二定律的微观实质是：与热现象有关的自发的宏观过程，总是朝着分子热运动状态无序性增加的方向进行的。

（4）熵是用来描述物体的无序程度的物理量。

物体内部分子热运动无序程度越高，物体的熵就越大。

（五）说明的问题1. 第一类永动机是永远无法实现的，它违背了能的转化和守恒定律。

2. 第二类永动机也是无法实现的，它虽然不违背能的转化和守恒定律，但却违背了热力学第二定律。

（六）能源和可持续发展1. 能量与环境（1）温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大量提高，导致“温室效应”，使得地面温度上升，两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海地区等不良影响。

热力学基础知识点总结
热力学是研究能量转化与传递规律的科学，主要包括以下基础知识点：
1. 系统与环境：热力学研究的对象是一个被称为系统的物体、组织或区域，而系统与其周围的一切被称为环境。

2. 状态量与过程量：状态量是描述系统状态的量，如温度、压力、体积等，它们只依赖于系统的初始和最终状态；而过程量是描述系统变化过程中的性质，如热量、功等。

3. 热平衡与温度：当两个物体处于热平衡时，它们之间不存在热量的净传递，此时它们的温度相等。

4. 热传递与热传导：热传递是指热量从高温物体流向低温物体的过程，可以通过热传导、辐射和对流等方式实现。

热传导是通过物质分子间的碰撞传递热量的过程。

5. 热容与比热容：热容是指物体吸收或释放单位温度变化所需的热量，而比热容是单位质量物质所需的热量。

6. 理想气体状态方程：理想气体状态方程描述了理想气体的压力、体积和温度之间的关系，常用的方程有理想气体状态方程
（PV=nRT）和绝热过程公式（PV^γ=常数）。

7. 熵与熵增：熵是描述系统无序度的物理量，熵增原理表明在孤立系统中，熵总是增加的。

8. 热力学第一定律：热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现，它表明能量可以从一个形式转化为另一个形式，但总能量守恒。

9. 热力学第二定律：热力学第二定律是描述热量传递方向性的原理，它指出热量只能从高温物体传递到低温物体，不会自发地从低温物体传递到高温物体。

10. 吉布斯自由能：吉布斯自由能是描述系统在恒温、恒压条件下的可用能量，通过最小化吉布斯自由能可以预测系统的平衡态。

这些是热力学基础知识点的概述，它们在热力学的研究和应用中扮演着重要的角色。

热力学基础知识点总结热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用（包括能量传递和转换）的学科。

以下是对热力学基础知识点的详细总结。

一、热力学系统与状态热力学系统是指被研究的对象，它可以是一个封闭的容器中的气体，也可以是一个热机的工作物质等。

根据系统与外界的物质和能量交换情况，热力学系统可分为三类：1、孤立系统：与外界既无物质交换，也无能量交换。

2、封闭系统：与外界只有能量交换，无物质交换。

3、开放系统：与外界既有物质交换，又有能量交换。

系统的状态是由一些宏观物理量来描述的，比如压强（P）、体积（V）、温度（T）等，这些物理量被称为状态参量。

当系统的状态参量确定时，系统的状态就确定了。

二、热力学第零定律如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡（温度相同），那么它们彼此也必定处于热平衡。

这一定律为温度的测量提供了理论依据。

三、热力学第一定律热力学第一定律就是能量守恒定律在热现象中的应用。

其表达式为：ΔU ＝ Q ＋ W，其中ΔU 表示系统内能的变化，Q 表示系统吸收的热量，W 表示系统对外所做的功。

当系统从外界吸收热量时，Q 为正；向外界放出热量时，Q 为负。

当系统对外做功时，W 为正；外界对系统做功时，W 为负。

例如，在一个绝热容器中，有一个热的物体和一个冷的物体，热的物体向冷的物体传热，最终两者温度相同。

这个过程中，没有对外做功或外界对系统做功，也没有与外界进行热交换，系统的内能变化就等于热传递的热量。

四、热力学第二定律热力学第二定律有多种表述方式，常见的有克劳修斯表述和开尔文表述。

克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。

开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。

热力学第二定律揭示了热现象的方向性和不可逆性。

例如，热机在工作过程中，总是会有一部分能量以废热的形式散失到环境中，无法将所有的输入能量都转化为有用功。

1、相、相律、相图、零变量反应类型、Gibbs自由能能、化学势、活度、活度系数、焓、熵等相图与热力学的基础知识。

相：体系的内在性质在物理上和化学上都是均匀的部分，不同相之间由界面隔开。

相平衡：平衡体系各相温度相等；平衡体系各相压强相等；平衡体系中各相组分的化学势相等。

相律： F=C-P+2 F:自由度数，C:组元数，P:相数相图表达在平衡条件下环境约束(如温度和压力)、组分、稳定相态及相组成之间关系的几何图形。

相区接触法则：1、单相区和单相区只能有一个点接触，而不应有一条边界线；2、相邻相区的相数相差为1（点接触除外）；3、一个三相反应的水平线和三个两相区相遇，共有6条边界线；4、如有两个三相反应中有两个共同的相，则此两个共同的相组成两个三相水平线之间的两相区；5、所有两相区的边界线不应延伸到单相区，而应伸向两相区。

零变量反应：垂直截面、等温截面、液相投影面。

ΔG=ΔH－TΔS （Kj/mol) 吉布斯自由能吉布斯自由能又叫吉布斯函数，（英Gibbs free energy,Gibbs energy or Gibbs function; also known as free enthalpy）是热力学中一个重要的参量，常用G表示，它的定义是：G =U -TS + pV = H- TS，其中U是系统的内能，T是温度，S是熵，p是压强，V是体积，H是焓。

吉布斯自由能的微分形式是：dG = - SdT + Vdp + μdN，其中μ是化学势，也就是说每个粒子的平均吉布斯自由能等于化学势。

化学势多组分均相系统中，在等温等压并保持系统中其他物质的量都不变的条件下，系统的吉布斯由能随某一组分的物质的量的变化率。

G叫做吉布斯自由能。

因为H、T、S均为状态函数，所以G为状态函数ΔG叫做吉布斯自由能变吉布斯自由能的变化可作为恒温、恒压过程自发与平衡的判据。

吉布斯自由能改变量。

表明状态函数G是体系所具有的在等温等压下做非体积功的能力。

热力学基础知识点1、热力学特性–焓焓是热力学系统的一个特性，其计算公式为：系统内部能量加上系统内气体压力与容积的乘积。

物理意义：单位质量所增加或移走的热量就是物质的焓的变化量。

它的符号为“∆h”。

即h = E + pVh = 焓E = 内部能量p = 压力V = 容积焓的单位千焦/千克- kJ/kg英国热量单位/磅- BTU/lb2、热力学特性–熵在不做功的情况下向物质转移能量，就能增强物质的混乱程度。

这叫做物质的熵。

混乱程度越高，熵就越大。

在不施加功的情况下，这种混乱状态是不可逆的（即无法回到原来的次序）。

例如：1、在不做功的情况下转移能量，能使冰融化成水，但在不施加功的情况下，无法让水重新变成冰。

2、一盒新的扑克牌，所有牌都是依次排列。

通过洗牌，可以打乱牌的顺序。

现在取一盒顺序混乱的扑克牌，然后洗牌。

扑克牌无法回到原来的顺序。

3、拿一罐空气清新剂，按下按钮。

空气清新剂从罐中喷出，飘散到房间四周。

现在想象一下，将空气清新剂收集起来，重新放回罐子里。

做不到，对不对？∆S = Q/TQ = 吸收的热量T = 温度熵的单位千焦/千克•开氏度- kJ/kg.K英国热量单位/磅。

兰氏温标。

- BTU/lb.R2纯物质的特性纯物质的特性可以绘制成图表。

1、压力–温度图（P - T 图）2、温度–熵图（T - S 图）3、温度–焓图（T - h 图）4、压力–焓图（P - h 图）注意：压力–焓图经常用于制冷和空调系统。

现在举例如下：1、温度–焓图（T-h 图）水的温度–焓图水的温度–焓图（不同压力）2、压力–温度图（CO2 相态图）CO2 的压力–温度图3、压力–焓图（P-h 图）4、压力–焓图（P-h 图）1、压力-焓图是纯物质的特性图。

2、图中包含物质的一些更为重要的特性，例如温度、压力、比容、密度、比热、焓或熵。

5、P-h 图和Log(P)-h 图3压力–焓图（Log(P)-h 图）1、压焓图概述1）、图中有三个区域，分别表示液体-混合物- 蒸气2）、这些区域用蓝色的半圆形曲线隔开，这条曲线叫做饱和曲线。

热力学基础知识热力学是物理学的一个分支，研究热现象和热能转化的规律。

在我们生活中，也可以看到许多与热力学有关的现象，比如汽车引擎的工作、空调的制冷、发热体的加热等等。

在接下来的文章中，我们将深入了解一些热力学的基本概念和原理。

一、热力学的基本概念1. 温度和热量温度是描述物体热度的物理量，单位是摄氏度（℃）、开尔文（K）、华氏度（℉）等。

热量是指热能的转移量，单位是焦耳（J）、卡路里（cal）等。

两者的联系可以用下面的公式表示：Q=m×c×ΔT其中，Q表示热量，m表示物体质量，c表示物体的热容量，ΔT表示物体温度变化量。

此外，还有一个重要的物理量叫做热力学摩尔容量，指的是单位量物质在温度变化1K时所吸收的热量，单位是焦/摩尔-开尔文（J/mol-K）。

2. 热力学第一定律热力学第一定律也叫做能量守恒定律，指的是能量不能被创造或毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式，并且总能量守恒。

从热观点来看，热量也是一种能量，因此热能也具有守恒性质。

3. 热力学第二定律热力学第二定律是一个非常重要的定律，它规定了热能转化的方向性，即热量只能从高温物体流向低温物体，不可能反向。

这个定律也成为热力学的增熵定律，指的是一个孤立系统的熵（混乱度）只可能增加，而不可能减小。

二、热力学的应用1. 热力学循环热力学循环是指通过对气体或液体的加热或冷却来产生机械功或者热量，再将剩余的热量排放到外界，从而实现能量转化的过程。

熟悉汽车工作原理的人应该都知道，汽车引擎就是一种热力学循环系统，通过燃烧汽油来加热气体，从而产生机械功驱动车轮，同时排放废气。

2. 热力学平衡当物体的温度相同时，此时物体达到了热力学平衡，它们之间的热量不再交换。

但是，这并不意味着温度相同的两个物体一定热力学平衡。

比如，在室内放着一瓶冰水和一只热汤的碗，虽然它们的温度都是20℃，但是它们内部的热量分布不同，因此不能说它们处于热力学平衡状态。

温标度量温度的标尺称为温标，有华氏温标、摄氏温标和热力学温标等。

我国法定计量单位规定采用的温标为摄氏温标和热力学温标，而欧美国家则采用华氏温标。

(1)华氏温标1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零度，人体温度为温度计的100度，把水银温度计从0度到l00度按水银的体积膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作“1℉”。

按照华氏温标，则水的冰点为32℉，沸点为212℉。

(2)摄氏温标1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。

根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分度。

两点间作100等分，每一份称为1摄氏度。

记作1℃。

摄氏温度和华氏温度的关系:华氏度比摄氏度较小,一华氏度等于5/9摄氏度.华氏温度和摄氏温度换算公式是：华氏温度F=摄氏温度×1.8+32 F = 1.8t + 32 （℉）摄氏度t=（华氏度F-32）÷1.8 t = (F-32) ÷1.8 （℃）2.热力学温标1848年由开尔文(Ketvin)提出的以卡诺循环(Carnot cycle)为基础建立的热力学温标，是一种理想而不能真正实现的理论温标，它是国际单位制中七个基本物理单位之一。

该温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度（是在实验中无法达到的理论温度，而低于0 K的温度不可能存在）与水的三相点(纯冰、纯水、水蒸气彼此处于平衡共存状态的温度)温度分为273.16份，每份为1 K (Kelvin) 。

水的冰点用绝对温度表示为237.15K，沸点为373.15K。

热力学温标也称为绝对温度、开氏温度，通常用符号T表示，单位为“K”。

绝对温度与摄氏温度的关系:T=237.15+t （K）热力学基础知识热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分，这种现象叫做热传递。