第18章传递过程和非平衡态热力学

热力学平衡和非平衡态的区别热力学是研究能量转化和传递的物理学分支，它描述了宏观系统的性质和行为。

在热力学中，我们可以探索物质的平衡和非平衡态。

本文将介绍热力学平衡和非平衡态的区别，以便更好地理解这两个概念。

1. 热力学平衡热力学平衡是指系统处于稳定状态，并且没有产生任何宏观改变的状态。

在热力学平衡中，系统的各种属性和状态变量保持不变。

这意味着系统内部的能量转化和传递是匀速进行的，而且各个部分之间没有梯度或差异。

在热力学平衡状态下，系统的宏观性质可以通过几个平衡态参数来描述，如温度、压力、密度等。

同时，系统的任何微小扰动都会自发地被抵消或消失，使系统重新回到平衡态。

2. 非平衡态与热力学平衡不同，非平衡态是指系统处于不稳定状态或者正在经历宏观变化的状态。

非平衡态系统的内部具有梯度或差异，这会导致能量的转化和传递不再匀速进行。

非平衡态可以分为两种类型：稳定非平衡态和非稳定非平衡态。

稳定非平衡态是指系统处于变化但能够保持某种稳定性质的状态。

例如，当一个玻璃杯里的水被搅动时，水会形成旋涡，但最终会转变成一个稳定的涡流状态。

在这种情况下，水的非平衡态是稳定的，并且符合一些动态平衡条件。

非稳定非平衡态是指系统处于一种不稳定的状态，而且其宏观性质会随着时间的推移而发生剧烈变化。

例如，当我们把热水倒入一个冰块的容器中，水和冰之间的相互作用会导致温度的快速变化，而且系统难以达到稳定。

3. 区别和应用热力学平衡与非平衡态之间的区别在于系统是否保持稳定性。

在平衡态中，系统是稳定的，并且各个部分之间没有差异；而在非平衡态中，系统处于不稳定状态，可能发生剧烈变化。

应用上，热力学平衡和非平衡态都具有重要意义。

热力学平衡是热力学的基础，它帮助我们理解和描述自然界中各种平衡态的行为。

而非平衡态则适用于描述现实中的许多实际过程，如化学反应、能量转换、生物体代谢等。

总结：热力学平衡和非平衡态是研究能量转化和传递的热力学中的重要概念。

热力学中的非平衡态的热力学循环分析热力学是研究热能及其转换与其他形式能量之间相互转化的学科。

热力学循环是指通过一系列的热能转换过程，将热能转化为机械能或其他能量形式的过程。

在热力学循环中，系统处于非平衡态时，其热力学性质与平衡态有所不同。

本文将以非平衡态的热力学循环为主题，分析其中的一些关键问题。

一、非平衡态的定义与特点在热力学中，平衡态是指系统的宏观性质不随时间改变的状态。

而非平衡态则是指系统的宏观性质随时间的推移而变化的状态。

非平衡态的特点是系统内各个部分之间的宏观性质不同，存在温度、压力、密度、浓度等的梯度或变化。

正因为非平衡态中存在宏观性质的差异，热力学循环在此状态下进行必然涉及到热量和功的传递，以及熵的产生和增加等过程。

与平衡态不同，非平衡态的热力学循环需要考虑这些额外的因素。

二、非平衡态热力学循环的分析方法非平衡态的热力学循环相对于平衡态热力学循环，其分析方法上有一定的差异。

在非平衡态条件下，我们需要引入一些新的概念和方法来描述系统的宏观性质。

1. 热力学流热力学流是指在非平衡态热力学循环中，由于温度、压力或浓度等参数的梯度，热量或物质会在系统中发生传输的现象。

热力学流的存在会带来能量和物质的损失，因此在分析非平衡态热力学循环时，我们需要考虑热力学流的影响。

2. 不可逆性非平衡态热力学循环中，由于热力学流的存在和熵的产生，其过程往往是不可逆的。

不可逆性的存在使得热力学循环效率降低，并导致系统的熵增加。

因此，在分析非平衡态热力学循环时，我们需要考虑不可逆性的影响。

三、非平衡态的热力学循环示例下面我们以一个具体的热力学循环为例，来分析非平衡态条件下的热力学循环。

假设我们有一个活塞与一个气缸相连，活塞可以在气缸内做往复运动。

开始时，气缸内的气体是在一个较低的温度下，在活塞的作用下进行膨胀。

膨胀过程中，气体的温度、压力和体积都会发生变化。

在膨胀过程中，由于温度和压力的差异，热力学流会导致热量的传递，使得系统的宏观性质发生变化。

热力学基础中的热力学关系与偏导数热力学是研究能量转化和能量传递规律的一门学科，它是理解和描述自然界中许多现象和过程的基础。

在热力学中，我们经常面对各种热力学关系和偏导数的计算，这些关系和计算方法对于热力学分析和应用具有重要意义。

一、热力学基本关系式在热力学中，存在着几个基本的热力学关系式，它们是从热力学基本定律出发推导得到的。

这些关系式包括了内能、焓、熵、体积和温度之间的关系。

1. 内能和焓的关系：根据热力学基本定律，系统的内能变化等于传递给系统的热量与系统对外界做功之和。

即ΔU = Q - W。

通过对焓的定义H = U + PV，可以得到焓的变化与系统的热量和外界做功之间的关系，即ΔH = Q。

2. 熵和热量的关系：根据热力学第二定律，任何孤立系统的熵都不会减少。

对于可逆过程，熵的变化等于传递给系统的热量除以系统的温度，即ΔS = Q/T。

这个关系式揭示了熵与热量和温度之间的关系。

3. 温度和焓的关系：根据热力学基本定律和热容的定义，对于恒容过程，热容Cv等于系统的内能对温度的偏导数，即Cv = (∂U/∂T)v。

对于恒压过程，热容Cp等于焓对温度的偏导数，即Cp = (∂H/∂T)p。

这两个关系式揭示了温度与内能和焓之间的关系。

二、热力学关系的应用热力学关系的应用范围广泛，涉及到能量转化、功的计算、热力学循环等方面。

1. 热力学循环：热力学循环是指在各种设备和系统中完成能量转化的循环过程。

通过运用热力学关系，我们可以计算热力学循环中的功、热量和效率等参数，从而优化系统设计和提高能源利用效率。

2. 非平衡态热力学：非平衡态热力学是研究热力学系统远离平衡态时的行为和规律的分支学科。

通过热力学关系的应用，我们可以对非平衡态过程进行定量的描述和分析，揭示系统的演化路径和性质。

三、热力学关系的计算方法对于热力学关系的计算，我们经常使用偏导数来描述系统的性质和变化。

偏导数是多元函数在某一点上对某个变量的变化率。

非平衡态系统和热力学第一定律的应用有哪些热力学第一定律，又称能量守恒定律，指出在一个封闭系统中，能量不会凭空产生也不会凭空消失，只会从一种形式转换为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。

在非平衡态系统中，这一定律同样适用，并且在这一特殊条件下有着广泛的应用。

1.热力学第一定律在非平衡态系统中的应用a.热传导：在非平衡态系统中，热量会从高温区域传递到低温区域，直至系统达到热平衡。

这一过程中，热量的传递遵循热力学第一定律。

b.物质传输：在非平衡态系统中，物质会从高浓度区域向低浓度区域传播，直至系统达到平衡。

这一过程中，物质的传输同样遵循热力学第一定律。

c.电流传导：在非平衡态系统中，电荷会从高电势区域流向低电势区域，直至系统达到电势平衡。

这一过程中，电流的传导也遵循热力学第一定律。

d.力学系统：在非平衡态的力学系统中，外力对系统做功，系统的内能可能会发生变化。

根据热力学第一定律，系统内能的改变等于外力做的功。

2.热力学第一定律在实际生活中的应用a.热机：热机在工作过程中，热能会转化为机械能。

热力学第一定律表明，热机所做的功等于燃料释放的热量减去系统产生的热量。

b.空调和制冷：空调系统在工作过程中，制冷剂从低温区域吸收热量，向高温区域释放热量。

这一过程同样遵循热力学第一定律。

c.能量转换：在能源领域，热力学第一定律帮助我们理解和计算各种能源转换过程中的能量损失，从而提高能源利用效率。

d.环境保护：热力学第一定律可以用来分析废气、废水等环境污染物的排放，为环境保护提供理论依据。

综上所述，热力学第一定律在非平衡态系统中的应用十分广泛，涵盖了热传导、物质传输、电流传导、力学系统等多个领域。

同时，在实际生活中，热力学第一定律也为热机、空调、能源转换和环境保护等方面提供了重要的理论支持。

习题及方法：1.习题：一个物体在恒温恒湿的环境中，吸收了1000J的热量，同时对外做了500J的功，求物体的内能变化。

方法：根据热力学第一定律，物体的内能变化等于吸收的热量减去对外做的功，即ΔU = Q - W。

热学思考题和参考解答第一章 热学基础知识和温度1．1 若热力学系统处于非平衡态，温度概念能否适用？【答】 对于处于非平衡态的系统，只要局域平衡条件能满足，则对于处于局域平衡的每个子系统来说，温度概念仍能适用。

1．2 系统A 和B 原来各自处在平衡态，现使它们互相接触，试问在下列情况下，两系统接触部分是绝热的还是透热的，或两者都可能?(1)当A V 保持不变，A p 增大时，B V 和B p 都不发生变化；(2)当A V 保持不变，A p 增大时，B p 不变而B V 增大；(3)当A V 减少，A p 增大时，B V 和B p 均不变．【答】设容器都是密闭的．(1)是绝热的．因为A p A V 增大，所以A 的温度 增加．但它并不使B 状态发生变化，说明既没有热量传递也没有做功．(2)是透热的．因为A p A V 增大，所以A 的温度增加．从B 来说，B V 增加了，说明B 膨胀对外做了功，其能量只能来源于从A 吸热．(3)因为B V 和B p 均不变，说明B 的温度不变．但是A V 减少，同时A p 增大，这两者的乘积可变可不变，所以A 的温度也可变可不变．若A 的温度改变则是绝热的；若A 的温度不变，则A ，B 相互 接触的部分仍然绝热，因为B 的状态始终不变．1．3 在建立温标时是否必须规定热的物体具有较高的温度，冷的物体具有较低的温度?是否可作相反的规定?在建立温标时，是否须规定测温属性一定随温度作线性变化?【答】 在建立温标时必须规定热的物体具有较高的温度，冷的物体具有较低的温度，因为热量是从高温物体传递到低温物体的．很有意思的是，对于处于负温度的子系则是例外．因为负温度比正温度还要高，热量是从负温度物体流向正温度物体的．建立温标时并不一定规定测温属性随温度作线性变化，这完全由分度公式来规定．1．4 冰的正常溶点是多少？纯水的三相点温度是多少？【答】 冰的正常溶点是273.15K,纯水的三相点温度是273.16K 。

热力学中的热力学平衡与非平衡态问题热力学平衡与非平衡态问题是热力学中一个非常基础的问题，也是极其重要的问题之一。

热力学平衡态是指，物质在一个非常长的时间内，其宏观性质不发生变化，而非平衡态则是指物质的宏观性质随时间的变化而变化。

在自然界和工业生产中，我们常常遇到与平衡态和非平衡态相关的问题，如温度、压力、物质传递等。

本文将对热力学平衡与非平衡态进行详细讨论。

一、热力学平衡态热力学平衡态指的是一种状态，物体在这种状态下，其宏观性质不随时间的变化而改变。

在热力学中，热力学平衡态通常有四种：力学平衡态、热平衡态、化学平衡态和物理平衡态。

1. 力学平衡态力学平衡态指物体中各点受到的所有力都保持平衡，物体的宏观形状保持不变。

比如，把一个木块放在平滑的水平面上，它就处于力学平衡态。

2. 热平衡态热平衡态指物体处于一定温度下，物质内部的热量分布维持不变。

比如，一个恒温水槽中的水就处于热平衡态。

3. 化学平衡态化学平衡态指在某种反应体系中，反应物在一定时间内的摩尔分数维持不变。

比如，在一定条件下，氢气和氧气会发生反应，产生水。

当氢气的摩尔分数和氧气的摩尔分数维持一定比例时，反应体系就处于化学平衡态。

4. 物理平衡态物理平衡态通常是指物质处于状态方程维持不变的状态，比如一个容器中的理想气体在一定温度和压力下，通过状态方程PV=nRT 维持不变的状态就是物理平衡态。

二、热力学非平衡态热力学非平衡态指物体的宏观性质随时间的变化而变化。

热力学非平衡态通常描绘了物质的动态行为，是热力学里面相对较复杂的概念之一。

在非平衡态下，一个系统的各种性质如粘度、流动性等会随着时间的变化而发生改变，而这些变化都受到外部条件的影响。

热力学非平衡态的一个重要问题是系统如何从非平衡态转向平衡态。

在这个过程中，可能会出现许多不同的形态和状态，其中涌现了许多新奇和重要的物理现象和热力学问题。

这些问题涵盖了一些非常广泛的领域，如流变学，热传导，化学反应和生物物理学等。

第一章1、与其他物体既没有物质交换也没有能量交换的系统称为孤立系；2、与外界没有物质交换，但有能量交换的系统称为闭系；3、与外界既有物质交换，又有能量交换的系统称为开系；4、平衡态的特点：1.系统的各种宏观性质都不随时间变化；2.热力学的平衡状态是一种动的平衡，常称为热动平衡；3.在平衡状态下，系统宏观物理量的数值仍会发生或大或小的涨落；4.对于非孤立系，可以把系统与外界合起来看做一个复合的孤立系统，根据孤立系统平衡状态的概念推断系统是否处在平衡状态。

5、参量分类：几何参量、力学参量、化学参量、电磁参量6、温度：宏观上表征物体的冷热程度；微观上表示分子热运动的剧烈程度7、第零定律：如果物体A和物体B各自与处在同一状态的物体C达到热平衡，若令A与B进行热接触，它们也将处在热平衡，这个经验事实称为热平衡定律8、t=T-273.59、体胀系数、压强系数、等温压缩系数、三者关系10、理想气体满足：玻意耳定律、焦耳定律、阿氏定律、道尔11、顿分压12、准静态过程：进行得非常缓慢的过程，系统在过程汇总经历的每一个状态都可以看做平衡态。

13、广义功14、热力学第一定律：系统在终态B和初态A的内能之差UB-UA 等于在过程中外界对系统所做的功与系统从外界吸收的热量之和，热力学第一定律就是能量守恒定律.UB-UA=W+Q.能量守恒定律的表述：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可以从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在传递与转化中能量的数量保持不变。

15、等容过程的热容量；等压过程的热容量；状态函数H；P2116、焦耳定律：气体的内能只是温度的函数，与体积无关。

P2317、理想气体准静态绝热过程的微分方程P2418、卡诺循环过程由两个等温过程和两个绝热过程：等温膨胀过程、绝热膨胀过程、等温压缩过程、绝热压缩过程19、热功转化效率20、热力学第二定律：1、克氏表述-不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化；2、开氏表述-不可能从单一热源吸热使之完全变成有用的功而不引起其它变化,第二类永动机不可能造成21、如果一个过程发生后，不论用任何曲折复杂的方法都不可能把它留下的后果完全消除而使一切恢复原状，这过程称为不可逆过程22、如果一个过程发生后，它所产生的影响可以完全消除而令一切恢复原状，则为可逆过程23、卡诺定理：所有工作于两个一定温度之间的热机，以可逆机的效率为最高24、卡诺定理推论：所有工作于两个一定温度之间的可逆热机，其效率相等25、克劳修斯等式和不等式26、热力学基本微分方程：27、理想气体的熵P4028、自由能：F=U-FS29、吉布斯函数：G=F+pV=U-TS+pV30、熵增加原理：经绝热过程后，系统的熵永不减少；孤立系的熵永不减少31、等温等容条件下系统的自由能永不增加；等温等压条件下，系统的吉布斯函数永不增加。

非平衡态热力学及其应用非平衡态热力学是研究非平衡态系统中的热力学行为的一个重要分支。

它研究的是那些远离平衡态的物理现象，例如分子扩散、化学反应、电传输、流体流动等。

非平衡态热力学强调随时间演化的统计物理和动力学过程，同时也关注系统的能量、熵和信息等方面的变化。

由于其深入研究非均衡态和热力学性质的重要性，它在现代科学中的应用越来越广泛。

回想一下我们平常所了解的热力学，在平衡态下物理系统的状态是稳定且可预测的。

其状态主要表现在其宏观物理量的行为，例如温度、压力、体积等。

然而，在非平衡态下，系统的状态变化就很复杂而且往往不可预测。

例如，我们可能遇到的热波动、化学反应、电子输运等都不符合平衡态下的热力学定理，其表面行为往往是随机的而且不可预测的。

而非平衡态热力学正是致力于研究形成这些复杂行为的物理机制。

一种最常见的非平衡性状是分子扩散。

尽管我们可以从统计理论中预测平衡态下分子的扩散行为，但在非平衡态下阐述此类现象时就会尤为有价值。

扩散现象是由随机分子运动和分子之间的相互作用驱动的。

在非平衡态下，例如沿浓度梯度进行扩散时，此类相互作用的基础假设可能是错的。

事实上，非平衡态的扩散作为一种随机现象，它进一步破坏了微观热力学理论中的某些基础假设。

另一个研究非平衡态热力学的成就在于电传输领域。

当我们更仔细地观察导体时，我们会发现微观级别上一般都可以存在某些“瑕疵”。

通常这些“瑕疵”通常是导体中电流输送的关键环节。

简而言之，掌握非平衡态的电传输现象的领域是独一无二的一个领域。

例如，我们可以通过引入“响应态”(response state)的概念来计算导体（如更复杂的连接电路）之间的电阻。

响应态是一种临时的状态，它出现在我们应用电力进行测量后，这一点在我们进行电传输研究的过程中是至关重要的。

在数学上，响应态可以帮助我们更好地预测和解释我们观测到的电流、电场和导体阻值等物理量的行为。

在化学反应领域，非平衡态热力学则是最广泛应用的领域之一。

热力学中的非平衡态的热传递分析热力学是一门研究能量转化和传递规律的学科，涉及到热的传递。

热传递是指能量由高温处传递到低温处的过程。

在热力学中，我们通常将热传递分为平衡态和非平衡态两种情况。

一、平衡态的热传递平衡态的热传递指的是热平衡状态下的能量传递过程。

在平衡态下，热传递的速率由热传导定律给出：q = k · A · ΔT / Δx其中，q表示单位时间内通过物质传递的热量，k表示热导率，A表示传热面积，ΔT表示温度差，Δx表示传热距离。

这个公式告诉我们，在平衡态下，热传递的速率与温度差成正比，与传热距离成反比。

二、非平衡态的热传递非平衡态的热传递指的是系统不处于热平衡状态下的能量传递过程。

在非平衡态下，热传递的速率不再由热传导定律给出，而是由非平衡态的热力学过程决定。

非平衡态的热传递通常涉及到非平衡态的热力学参数，比如温度梯度、流体速度等。

在非平衡态下，热传递可以通过对流、辐射和传导等方式进行。

1. 对流传热对流传热是指通过流体的运动而实现的能量传递。

在非平衡态下，热传递可以通过对流实现。

对流传热通常通过流体的物理性质的差异和流体的流动来实现。

在对流传热中，我们通常使用对流传热公式来描述热传递速率：q = h · A · ΔT其中，q表示单位时间内通过传热面积的热量，h表示对流传热系数，ΔT表示温度差。

对流传热系数是一个描述热传递速率的参数，它与流体的性质、流体的速度和传热面积等有关。

2. 辐射传热辐射传热是指通过电磁波的辐射而实现的能量传递。

在非平衡态下，热传递也可以通过辐射实现。

辐射传热通常通过辐射传热公式来描述热传递速率：q = ε · A · σ · (T1^4 - T2^4)其中，q表示单位时间内通过传热面积的热量，ε表示辐射率，A表示传热面积，σ表示斯特藩—玻尔兹曼常数，T1和T2表示温度。

辐射率是一个描述物体辐射能力的参数，它与物体的性质和表面特性有关。