第一章相变热力学

相变热力学能变化相变热力学是研究物质在不同状态之间转变时伴随的能量变化的学科。

在相变过程中，物质的状态从一种形式转变为另一种形式，伴随着能量的吸收或释放。

相变热力学能变化是研究这种能量变化的重要内容之一。

相变热力学能变化的本质在于物质的内能的变化。

内能是物质分子运动的总和，包括分子间的相互作用能和分子的动能。

当物质发生相变时，其内能也会发生变化，这种变化可以通过热力学方法进行研究和计算。

在相变过程中，物质吸收或释放的能量可以分为两部分：潜热和显热。

潜热是指在相变过程中，物质发生状态变化时吸收或释放的热量，不伴随温度的变化。

显热则是指物质在相变过程中伴随温度的变化而吸收或释放的热量。

潜热是相变过程中最重要的能量变化形式之一。

当物质从固态转变为液态，或从液态转变为气态时，需要吸收一定的潜热。

这是因为在相变过程中，物质的分子之间的相互作用发生了变化，从而导致分子的位置和运动方式发生了改变。

这种改变需要吸收能量才能够完成。

相反，当物质从气态转变为液态，或从液态转变为固态时，会释放潜热。

这是因为在相变过程中，物质的分子之间的相互作用发生了变化，从而导致分子的位置和运动方式发生了改变，释放出能量。

显热是相变过程中另一种重要的能量变化形式。

当物质从固态转变为液态时，或从液态转变为气态时，伴随着温度的升高。

这是因为在相变过程中，物质的内能发生了变化，导致温度的改变。

相反，当物质从气态转变为液态，或从液态转变为固态时，伴随着温度的降低。

这是因为在相变过程中，物质的内能发生了变化，导致温度的改变。

相变热力学能变化的研究对于理解和应用相变过程具有重要意义。

在科学研究和工程应用中，相变热力学能变化的准确计算和预测可以帮助我们优化设计和控制相变过程，提高工作效率和产品性能。

同时，相变热力学能变化的研究也为理解物质的性质和行为提供了重要的线索。

相变热力学能变化是研究物质在不同状态之间转变时伴随的能量变化的重要内容。

相变过程中的能量变化可以通过潜热和显热来描述，其研究对于理解和应用相变过程具有重要意义。

相变和热力学固体液体和气体之间的转化相变是物质在不同温度和压力条件下从一个相态转变为另一个相态的过程。

在热力学中，固体、液体和气体是物质的三种基本相态。

它们之间的相互转化是一个重要的研究领域，本文将介绍相变以及固体、液体和气体之间的转化。

一、物质的相态物质的相态是由其分子或原子的排列方式以及它们之间的相互作用力决定的。

固体的分子紧密排列，有规律的结构；液体的分子间距离较大，无规律的运动；气体的分子间距离更大，自由运动。

二、相变的概念相变是物质从一种相态转变为另一种相态的过程，常见的相变包括固液相变、液气相变和固气相变。

这些相变过程伴随着热量的吸收或释放，且在一定的温度和压力条件下发生。

三、固液相变（熔化和凝固）固液相变是物质从固体态转变为液体态（熔化）或从液体态转变为固体态（凝固）的过程。

熔化是固体受热增加分子热运动，使结构松散，从而转变为液体。

凝固则是液体受冷减少分子热运动，使结构重新排列，从而转变为固体。

四、液气相变（蒸发和液化）液气相变是物质从液体态转变为气体态（蒸发）或从气体态转变为液体态（液化）的过程。

蒸发是液体分子受热增加热运动，克服表面张力逸出液体，从而转变为气体。

液化是气体受冷减少热运动，分子聚集形成液滴，从而转变为液体。

五、固气相变（升华和凝华）固气相变是物质从固体态转变为气体态（升华）或从气体态转变为固体态（凝华）的过程。

升华是固体受热增加分子热运动，直接由固体转变为气体，无液体状态的中间过程。

凝华则是气体受冷减少分子热运动，直接由气体转变为固体。

六、热力学和相变热力学研究物质的热力学性质以及相变规律。

在热力学中，相变与热力学性质——温度、压力和物质的熵有关。

物质在相变过程中，其温度和压力会保持恒定，而物质的熵有一定的关系。

经典的热力学理论可以解释和预测相变的条件和行为。

七、相变的应用相变在日常生活和工业生产中有广泛的应用。

例如，冰在融化的过程中吸收热量，使得温度降低，因此被用于制冷和保鲜。

热力学中的相变与相热力学是研究能量转化和传递的科学，而相变是热力学中的重要概念之一。

相变指的是物质由一种相态转变为另一种相态的过程。

在不同的温度和压力条件下，物质的相态也会发生改变。

本文将讨论热力学中的相变现象以及相变对物质性质的影响。

一、相变的定义和分类相变是指物质由一种相态转变为另一种相态的过程。

相态是指物质在给定温度和压力下的物理状态。

熟知的相态一般有固体、液体和气体三种，而在更高温度和压力下还存在等离子体、玻璃态等其他形态。

相变可以分为一级相变和二级相变。

一级相变是指在相变点上，物质的两种相态同时存在，而且其相应的热容量和体积有突变现象。

典型的一级相变包括水的冰点和沸点。

二级相变则是指在相变过程中物质的热容量和体积都是连续变化的，例如铁的铁磁相变。

二、相变的热力学特性相变是热力学研究的重要内容之一，其热力学特性可以通过相变热和相变潜热来描述。

1. 相变热相变热是指在相变过程中物质放出或吸收的热量。

对于一级相变，相变热通常为定值，例如冰的融化和水的沸腾时放出或吸收的热量。

而对于二级相变，相变热则随温度和压力的变化而变化。

2. 相变潜热相变潜热是指在相变过程中单位质量的物质所吸收或放出的热量。

相变潜热可以通过单位质量的物质在相变点上的焓变来计算，表示了单位质量物质从一种相态转变为另一种相态时所需要的能量。

三、相变对物质性质的影响相变对物质的性质具有重要影响，不仅在实际应用中具有广泛的意义，也在科学研究中有着深远的影响。

1. 导致物质性质的变化相变会导致物质的性质发生改变。

以水的相变为例，水在冰的相态下是固体，具有规则的晶体结构，而在液态下则是流动的液体。

固体和液体的物理性质存在显著差异，如密度、热导率等。

相变点附近的物质性质的变化也常常呈现出非常特殊的现象，例如热膨胀系数的极大值。

2. 技术应用相变的特性在现代科技中被广泛应用。

例如，相变储能材料可以在相变时吸收或释放大量的热量，用于无线传感器、智能建筑和电子设备的温控系统。

热力学中的相变现象热力学是研究能量转化和过程的科学，而相变现象则是热力学中的重要概念之一。

相变指的是物质由一种相态转变为另一种相态的过程，例如液化、固化和气化等。

在本文中，我们将探讨热力学中的相变现象及其背后的原理。

一、相变的定义与分类相变是物质在一定条件下由一种状态转变为另一种状态的过程。

根据物质的性质和转变的条件，相变可以分为凝固、熔化和汽化三种基本类型。

1. 凝固：凝固是指物质由液态转变为固态的过程。

当温度降低到某一点，液体中的分子或离子开始有序排列，形成固态结晶体。

2. 熔化：熔化是指物质由固态转变为液态的过程。

当温度升高到某一点，固体中的分子或离子离开有序排列，变得更加自由运动。

3. 汽化：汽化是指物质由液态转变为气态的过程。

当温度升高到某一点，液体中的分子或离子足够具有逃离液体表面的能量，形成气体状态。

二、相变的热力学原理热力学中的相变现象与物质的内能变化及熵变有关。

在一个封闭系统中，相变发生时，物质的内能会发生变化，而系统的熵也会发生变化。

1. 内能变化：在相变过程中，虽然温度保持不变，但是物质的内能却发生了变化。

这是因为相变过程中，分子间的相互作用和排列方式发生了改变，导致内能的变化。

2. 熵变：熵是衡量系统无序程度的物理量，相变过程中也会发生熵的变化。

例如凝固过程中，液体变为有序排列的固体，系统的熵会减小。

而汽化过程中，液体变为高度无序的气体，系统的熵会增加。

根据热力学第二定律，熵的增加趋势是不可逆的，即自发向高熵状态变化。

因此，相变过程也符合热力学第二定律的要求。

三、相变与相图相图是描述特定物质在不同温度和压力下各相态之间转变关系的图表。

在相图中，可以清晰地看到物质的相变点和相变曲线。

1. 相变点：相变点是指在一定的温度和压力下，物质由一种相态转变为另一种相态的临界条件。

例如水的相变点在常压下是0摄氏度（冰点）和100摄氏度（沸点）。

2. 相变曲线：相变曲线是用来表示不同相态之间转变的曲线。

第一章热力学第一定律本章主要内容1.1热力学概论1.2热力学第一定律1.3 可逆过程和最大功1.4 焓1.5 热容1.6 热力学第一定律对理想气体的应用1.7实际气体1.8热化学1.9化学反应热效应的求算方法1.10反应热与温度的关系——基尔霍夫定律§1.1热力学概论1.1.1热力学的研究对象（1）研究热、功和其他形式能量之间的相互转换及其转换过程中所遵循的规律；（2）研究各种物理变化和化学变化过程中所发生的能量效应；（3）研究化学变化的方向和限度。

1.1.2 热力学的方法和局限性热力学方法：热力学在解决问题是使用严格的数理逻辑推理方法，其研究对象是大量质点的集合体，所观察的是宏观系统的平均行为，并不考虑个别分子或质点，所得结论具有统计意义。

优点：只须知道宏观系统变化的始终态及外部条件，无须知道物质的微观结构和变化的细节即可进行有关的定量计算。

局限性：（1）对所得的结论只知其然而不知所以然；（2）不能给出变化的实际过程，没有时间的概念，也不能推测实际进行的可能性。

（3）只能适应用于人们所了解的物质世界，而不能任意推广到整个宇宙。

1.1.3 几个基本概念：1、系统与环境系统（System）——把一部分物质与其余分开作为研究对象，这这种被划定的研究对象称为系统，亦称为物系或系统。

环境（surroundings）——与系统密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。

（1）敞开系统（open system） -系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换。

（2）封闭系统（closed system）-系统与环境之间无物质交换，但有能量交换。

（3）孤立系统（isolated system ）-系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故又称为隔离系统。

有时把封闭系统和系统影响所及的环境一起作为孤立系统来考虑。

2、状态与状态性质（1）热力学系统的所有物理性质和化学性质的综合表现称为状态，而描述状态的的性质被称为状态性质（或热力学性质）一般用宏观可测性质来描述系统的热力学状态，故这些性质又称为热力学变量。

第一章热力学函数及其相互关系（1）：热力学状态与气体方程系统与环境、平衡状态、非平衡状态、稳定状态、可逆过程与不可逆过程、局部平衡、部分平衡与介稳平衡、温标的发展、热力学温标、理想气体定律、van der Waals状态方程、virial方程、Redlich-Kwong方程、实际气体的液化与临界现象、对应态理论1.1系统、环境、热力学状态1.1.1 系统与系统的环境热力学把相互联系的客观真实世界区分为系统与系统的环境两部分。

系统(system)是我们要研究的那部分真实世界，即我们要研究的那部分物质或空间。

假如要研究一台运行着的热机汽缸内气体性质的变化，或者要研究一反应器中的全部物质，就分别是两种不同情况下的系统。

又如一氧气缸瓶在不断地向外喷射氧气，我们要研究喷射过程到某阶段时钢瓶中剩余氧气的性质，则该瞬间瓶中残留的氧应当是系统。

以往的书刊中曾用过一些系统的同义词，例如“物系”、“体系”等等。

系统的环境(surroundings)是系统以外与之相联系的真实世界，可以简单称为环境或外界。

需要指出，系统与环境之间可以有实际存在的边界隔开，例如上述汽缸、反应器壁等；也可能在系统与环境间只有假象的边界隔开，例如上述氧气瓶中作为系统的残留氧气与喷射出去的那些氧气本来是存在于同一钢瓶中，它们之间没有任何间隔，而喷射出去的那些氧气实际是环境的一部分。

系统与环境之间的联系包括有能量交换与物质交换两类。

针对二者之间联系情况的差别，可以把系统分成以下三种：(1) 隔离系统（孤立系统, isolated system）隔离系统（孤立系统）与环境之间既无能量交换，又无物质交换，所以环境对隔离系统中发生的任何变化不会有任何影响。

在热力学中，有时我们把所研究的系统及该系统的环境作为一个整体来看待，这个整体就应当是隔离系统。

(2)封闭系统(closed system)封闭系统与环境之间只有能量交换而无物质交换。

在前面提到的几个系统中，物质均被封闭于实有的容器间壁内或假象的边界内，使系统仅能通过界面与环境有热、功等形式的能量交换，故应当属于封闭系统。

第一章 热力学第一定律核心内容：能量守恒 ΔU=Q+W主要内容：三种过程（单纯pVT 变化、相变、化学反应）W 、Q 、ΔU 、ΔH 的计算一、内容提要1．热力学第一定律与状态函数（1）热力学第一定律： ΔU=Q+W （封闭系统） 用途：可由ΔU ，Q 和W 中的任意两个量求第三个量。

（2）关于状态函数（M ）状态函数：p 、V 、T 、U 、H 、S 、A 、G ……的共性： ①系统的状态一定，所有状态函数都有定值；②系统的状态函数变化值只与始终态有关，而与变化的途径无关。

用途：在计算一定始终态间的某状态函数增量时，为了简化问题，可以撇开实际的复杂过程，设计简单的或利用已知数据较多的过程进行计算。

ΔM （实）=ΔM （设）。

这种方法称为热力学的状态函数法。

③对于循环过程，系统的状态函数变化值等于零，即ΔM =0。

此外，对于状态函数还有如下关系：对于组成不变的单相封闭系统，任一状态函数M 都是其他任意两个独立自变量（状态函数）x 、y 的单值函数，表示为M=M(x 、y)，则注意：因为W 和Q 为途径函数，所以Q 和W 的计算必须依照实际过程进行。

⎰-=21V V a m bdV p W ，其中p amb 为环境压力。

Q 由热容计算或由热力学第一定律求得。

dy y M dx x M dM xy ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=)(1循环关系式-=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂xM y M y y x x M )(22尤拉关系式xy My x M ∂∂∂=∂∂∂1（p 1,V 1,T 1） （p'1,V 1,T 2） 2（p 2,V 2,T 2） （p 1,V'1,T 2） VT 将热力学第一定律应用于恒容或恒压过程，在非体积功为零（即w'=0）的情况下有：Q V =ΔU ，Q p =ΔH （H 的定义：H=U+pV ）。

此时，计算Q v 、Q p 转化为计算ΔU 、ΔH ，由于U 、H 的状态函数性质，可以利用上面提到的状态函数法进行计算。

经验 总结总结 归纳提高 引出或定义出 解决的 能量效应(功与热) 过程的方向与限度 即有关能量守恒 和物质平衡的规律 物质系统的状态变化 第一章 热力学第一定律§1.1 热力学基本概念1.1.1 热力学的理论基础和研究方法 1、热力学理论基础热力学是建立在大量科学实验基础上的宏观理论，是研究各种形式的能量相互转化的规律，由此得出各种自发变化、自发进行的方向、限度以及外界条件的影响等。

⇨ 热力学四大定律：热力学第一定律——Mayer&Joule ：能量守恒，解决过程的能量衡算问题(功、热、热力学能等)； 热力学第二定律——Carnot&Clousius&Kelvin ：过程进行的方向判据； 热力学第三定律——Nernst&Planck&Gibson ：解决物质熵的计算；热力学第零定律——热平衡定律：热平衡原理T 1=T 2，T 2=T 3，则T 1= T 3。

2、热力学方法——状态函数法⇨ 热力学方法的特点：①只研究物质变化过程中各宏观性质的关系，不考虑物质的微观结构；（p 、V 、T etc ）②只研究物质变化过程的始态和终态，而不追究变化过程中的中间细节，也不研究变化过程的速率和完成过程所需要的时间。

⇨ 局限性：不知道反应的机理、速率和微观性质。

只讲可能性，不讲现实性。

3、热力学研究內容热力学研究宏观物质在各种条件下的平衡行为：如能量平衡，化学平衡，相平衡等，以及各种条件对平衡的影响，所以热力学研究是从能量平衡角度对物质变化的规律和条件得出正确的结论。

热力学只能解决在某条件下反应进行的可能性，它的结论具有较高的普遍性和可靠性，至于如何将可能性变为现实性，还需要动力学方面知识的配合。

1.1.2 热力学的基本概念生活实践 生产实践 科学实验 热力学第一定律 热力学第二定律 热力学第三定律 热力学第零定律 热力学理论基础 热力学能U 焓H 熵S 亥姆霍茨函数A 吉布斯函数G压力p 体积V 温度T 实验测得p ,V ,T 变化过程 相变化过程 化学变化过程1、系统与环境 ⇨ 系统（System ）：热力学研究的对象(微粒组成的宏观集合体)。

热力学中的相变现象知识点总结热力学是研究物质能量转换和物质的宏观行为的科学分支。

在热力学中，相变现象是物质在特定条件下从一种相态转变为另一种相态的过程。

本文将对热力学中的相变现象进行一些知识点的总结。

1. 相变的定义相变是物质在一定温度和压力条件下由一种相态转变为另一种相态的过程。

相变包括固态向液态的熔化、液态向气态的汽化、气态向液态的凝结以及液态向固态的凝固等过程。

2. 相变的热力学特性相变过程中，物质的温度保持不变，这是因为在相变过程中，物质吸收或释放的热量用来克服分子或原子间的相互作用力，使得相变发生。

这个过程中，物质的内能不发生改变。

3. 热力学相变图热力学相变图是用来描述物质随着温度和压力变化而发生相变的图表。

在热力学相变图中，横轴表示温度，纵轴表示压力，不同的相态以曲线或直线表示。

例如，对于水，冰的相变曲线表示了冰到水的熔化，水的相变曲线表示了水到水蒸气的汽化。

4. 相变的热力学描述相变过程中，物质吸收或释放的热量可以由热容量和热交换公式来描述。

热容量是物质单位质量在相变过程中吸收或释放的热量，一般用单位质量的物质的温度改变1摄氏度所需要的热量来表示。

5. 相变的状态方程相变过程可以通过一些状态方程来描述，最常用的是克拉珀龙方程和麦克斯韦方程。

克拉珀龙方程描述了在相变点附近物质的状态变化，麦克斯韦方程描述了在不同相态之间的状态变化。

6. 相变的分类相变可以分为一级相变和二级相变。

一级相变指的是物质在相变过程中吸收或释放的潜热（单位质量的物质在相变过程中吸收或释放的热量）突变，例如冰到水的熔化过程。

二级相变指的是物质在相变过程中吸收或释放的潜热不突变，例如水蒸气到水的凝结过程。

7. 相变的应用相变在生活中有许多应用，例如冷藏食品中的冷冻相变、制备高纯度合金的晶粒细化相变、汽车制动系统中的制动液的沸腾相变等。

总结：热力学中的相变现象是物质在特定温度和压力条件下从一种相态转变为另一种相态的过程。

第一章 热力学第一定律一、基本公式和基本概念 基本公式1. 功 'W W W δδδ=+体积，W 体积：体积功；'W ：非体积功 热力学中体积功为重要的概念： W p dV δ=-外体积 本书规定：系统对环境做功为负，相反为正。

如果p 外的变化是连续的，在有限的变化区间可积分上式求体积功d W p V =-⎰外在可逆过程中，可用系统的压力p 代替外压p 外，即p p =外 d W p V =-⎰一些特定条件下，体积功计算如下： 恒外压过程 W p V =-∆外 定容过程 d 0W p V =-=⎰外 理想气体定温可逆过程 212112lnln V V V p W pdV nRT nRT V p =-=-=-⎰理想气体自由膨胀(向真空膨胀)过程 0W = 2. 热力学第一定律 U Q W ∆=+ 3. 焓 H U pV ≡+焓是状态函数，容量性质，绝对值无法确定。

理想气体的热力学能和焓只是温度的单值函数。

4. 热容 QC dTδ=(1)定压热容 ()pp p Q H C dTTδ∂==∂ 注意：()p p HC T∂=∂的适用条件为封闭系统，无非体积功的定压过程。

而对于理想气体无需定压条件。

(2) 定容热容 ()d VV V Q U C TTδ∂==∂ 同样，()V V UC T∂=∂的适用条件为封闭系统，无非体积功的定容过程。

对于理想气体来说，则无需定容条件。

任意系统：p V T pU V C C p V T ⎡⎤∂∂⎛⎫⎛⎫-=+⎪ ⎪⎢⎥∂∂⎝⎭⎝⎭⎣⎦ 理想气体：p V C C nR -= 摩尔热容与温度的经验公式2,p m C a bT cT =++ 2,''p m C a b T c T -=++5. 热定容热： d ;V V Q U Q U δ==∆ 条件为封闭系统无其他功的定容过程 定压热： d ;p p Q H Q H δ==∆ 条件为封闭系统无其他功的定压过程相变热： p H Q ∆= 条件为定温定压条件下系统的相变过程 6. 热力学第一定律在理想气体中的应用 (1) 理想气体,U ∆ H ∆的计算定温过程：0,U ∆= 0,H ∆= 2112ln ln V p Q W nRT nRT V p -==-=- 无化学变化、无相变的任意定温过程21,d T V m T U nC T ∆=⎰，21,d T p m T H nC T ∆=⎰(2) 理想气体绝热可逆过程方程绝热可逆过程方程：11pV TVp T γγγγ--===常数；常数；常数 (p VC C γ=)理想气体绝热功： 1211221()()1V W C T T p V p V γ=--=--- 理想气体绝热可逆或不可逆过程：21,0,d d T V m T Q U W p V nC T =∆==-=⎰外理想气体绝热可逆过程：2212,,,1121lnln ,lnln V m p m V m V T V pR C C C V T V p =-= 7. 热力学第一定律在化学变化中的应用 反应进度：(0)B B Bn n ξν-=mol(1) 化学反应热效应化学反应摩尔焓变：,B r m p m BHH H Q n νξ∆∆∆===∆∆ 当1mol ξ∆=时的定压热 化学反应摩尔热力学能变化：,B r m V m BUU U Q n νξ∆∆∆===∆∆ 当1mol ξ∆=时的定容热 (2) 化学反应的r m H ∆与r m U ∆的关系无气相物质参与的化学反应系统：,,,r m T r m T r m T H U pV U ∆=∆+∆≈∆ 有气相物质(理想气体)参与的化学反应系统：,,,,r m T r m T r m T B g H U pV U RT ν∆=∆+∆=∆+∑(3) 化学反应定压热效应的几种计算方法 利用标准摩尔生成焓值：(298.5)()r m Bf m B H K H B θθν∆=∆∑利用标准摩尔燃烧焓值：(298.5)()r m Bc m BH K H B θθν∆=-∆∑(4) 化学反应焓变与温度的关系---基尔霍夫方程2121,()()()d T r m r m Bp m T BH T H T C B T ν∆=∆+∑⎰基本概念1. 系统和环境热力学中，将研究的对象称为系统，是由大量微观粒子构成的宏观系统。