物理化学-第2章-考研试题文档资料系列.ppt
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1、第第 2 章章热力学定律和热力学基本方程热力学定律和热力学基本方程返回首页返回首页2.1引言引言I.I.热力学基本原理热力学基本原理热力学基本原理热力学基本原理2.2热力学第二定律热力学第二定律2.3卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理2.4克劳修斯不等式和可逆性判据克劳修斯不等式和可逆性判据2.5熵与熵增原理熵与熵增原理2.6亥姆霍兹函数和吉布斯函数亥姆霍兹函数和吉布斯函数2.7热力学基本方程热力学基本方程II.II.各类过程中热力学函数的变化各类过程中热力学函数的变化各类过程中热力学函数的变化各类过程中热力学函数的变化2.8pVT变化中热力学函数的变化变化中热力学函数的变化2.9焦耳焦耳汤
2、姆逊效应汤姆逊效应2.10相变化中热力学函数的变化相变化中热力学函数的变化2.11热力学第三定律热力学第三定律2.12化学反应中热力学函数的变化化学反应中热力学函数的变化III.III.两类应用两类应用两类应用两类应用2.13平衡判据平衡判据2.14单元系统的相平衡单元系统的相平衡,克拉佩龙克拉佩龙克劳修斯方程克劳修斯方程2.15能量的有效利用能量的有效利用N2+3H2 2NH3p1p2T1T2过程在一定的条件下过程在一定的条件下 是是 可能进行的可能进行的 或或 已经达到极限(平衡)已经达到极限(平衡)或或 不可能进行不可能进行方向方向方向方向方向方向限度限度限度限度限度限度返回章首返回章首
3、2.1 引引 言言热力学热力学热力学热力学研究自然界中与热现象有关的各种宏观研究自然界中与热现象有关的各种宏观状态变化和能量转化的规律的科学。状态变化和能量转化的规律的科学。0th law:阐述热平衡的特点。阐述热平衡的特点。1st law:能量转化在数量上守恒能量转化在数量上守恒。2nd law:阐述阐述热和功的本质差别热和功的本质差别;论证过程的不可逆性。论证过程的不可逆性。3rd law:温度趋于温度趋于0K时,恒温过程的熵变趋于零时,恒温过程的熵变趋于零。化化化化学学学学热热热热力力力力学学学学热热力力学学定定律律对对化化学学变变化化、相相变变化化和和pVT变变化化的的应应用用,在在宏
4、宏观观层层次次上上给给出出平平衡衡的的普普遍遍规规律。主要任务:律。主要任务:(1)研究能量转化的规律;)研究能量转化的规律;(2)研究宏观过程的方向和限度的规律。)研究宏观过程的方向和限度的规律。宏观过程具有不可逆性宏观过程具有不可逆性宏观过程具有不可逆性宏观过程具有不可逆性熵与不可逆程度的关系熵与不可逆程度的关系熵与不可逆程度的关系熵与不可逆程度的关系热力学的限制热力学的限制热力学的限制热力学的限制不不考考虑虑物物质质的的微微观观结结构构,其其基基本本定定律律完完全全由由宏宏观观现象归纳得出。现象归纳得出。主主要要研研究究平平衡衡态态及及其其变变化化,得得到到联联系系平平衡衡态态性性质之间
5、的普遍规律。质之间的普遍规律。在解决实际问题时,必须输入物质的特性。在解决实际问题时,必须输入物质的特性。恒温过程:恒温过程:恒温过程:恒温过程:系统与环境的温度相等并恒定不变系统与环境的温度相等并恒定不变的过程的过程。恒压过程:恒压过程:恒压过程:恒压过程:系统与环境的压力相等并恒定不变的过程。系统与环境的压力相等并恒定不变的过程。恒容过程:恒容过程:恒容过程:恒容过程:系统体积恒定不变系统体积恒定不变的过程的过程。绝热过程:绝热过程:绝热过程:绝热过程:系统与环境间隔绝了热量传递的过程。系统与环境间隔绝了热量传递的过程。循环过程:循环过程:循环过程:循环过程:系统仍回到初始状态系统仍回到初
6、始状态的过程的过程。可逆过程:可逆过程:可逆过程:可逆过程:无限趋近平衡且无摩擦力的条件下进行的无限趋近平衡且无摩擦力的条件下进行的 过程。过程。返回章首返回章首热力学中常见的过程(封闭系统)热力学中常见的过程(封闭系统)热力学中常见的过程(封闭系统)热力学中常见的过程(封闭系统)I.热力学基本原理热力学基本原理U=Q1+Q2+W=02.2 热力学第二定律热力学第二定律返回章首返回章首James Watt 1736-1819 1.1.蒸汽机蒸汽机蒸汽机蒸汽机2.2.热机效率热机效率热机效率热机效率 卡诺于卡诺于1824年在题为年在题为论火的动力论火的动力的论文中的论文中提出:提出:热机效率有一
7、个极限热机效率有一个极限。克劳修斯、开尔文等发现,要证明卡诺的说法需克劳修斯、开尔文等发现,要证明卡诺的说法需要一个新的定律。要一个新的定律。3.3.热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律的两种说法热力学第二定律的两种说法热力学第二定律的两种说法热力学第二定律的两种说法克克克克劳劳劳劳修修修修斯斯斯斯:热热从从低低温温物物体体传传给给高高温温物物体体而而不不产产生生其其它它变变化化是不可能的。是不可能的。开开开开尔尔尔尔文文文文:从从一一个个热热源源吸吸热热,使使之之完完全全转转化化为为功功,而而不不产产生生其其它变化它变化是不可能的是不可能的。返回章首返回章首
8、Q(Tl)Q(Th)QW(=Q)Q(Th)Q(Tl)WQ(=W)不可能发生不可能发生可能发生可能发生可逆过程可逆过程(不可逆过程)(不可逆过程)返回章首返回章首4.4.4.4.热力学第二定律的几点含义热力学第二定律的几点含义热力学第二定律的几点含义热力学第二定律的几点含义不能简单逆转完全复原的过程不能简单逆转完全复原的过程(1 1 1 1)得出不可逆过程的概念)得出不可逆过程的概念)得出不可逆过程的概念)得出不可逆过程的概念(2 2 2 2)不同的不可逆过程之间有着内在的联系)不同的不可逆过程之间有着内在的联系)不同的不可逆过程之间有着内在的联系)不同的不可逆过程之间有着内在的联系Q(Tl)Q
9、(Th)QW(=Q)Q(Th)Q(Tl)WQ(=W)不可能发生不可能发生可能发生可能发生可逆过程可逆过程(不可逆过程)(不可逆过程)(3 3 3 3)能量具有品位)能量具有品位)能量具有品位)能量具有品位Q(Th)Q(Tl)WQ5.5.5.5.可逆过程可逆过程可逆过程可逆过程可可可可逆逆逆逆过过过过程程程程无无限限接接近近平平衡衡并并且且没没有有摩摩擦擦力力的的条条件件下下进行的过程。进行的过程。基本特点:基本特点:基本特点:基本特点:(1 1)在在同同样样的的平平衡衡条条件件下下,正正、逆逆过过程程都都能能任任意意进行。进行。(2 2)当当可可逆逆过过程程逆逆向向进进行行时时,系系统统和和环
10、环境境在在过过程程中每一步的状态,都是原来正向进行时的重演。中每一步的状态,都是原来正向进行时的重演。简单逆转,完全复原。简单逆转,完全复原。返回章首返回章首实实实实例例例例:1mol理理想想气气体体,温温度度为为300K,压压力力为为1MPa,分分别别经经历历过过程程(I1)、(I2)、(R1)、(I3)恒恒温温膨膨胀胀至至0.1MPa,再再经经历历过过程程(R2)恒恒温温压压缩缩至至1MPa,使使系系统统复原。复原。上一页I I1 1+R+R2 2:(系统放热,得功)系统放热,得功)I I2 2+R+R2 2:(系统放热,得功)系统放热,得功)R R1 1+R+R2 2:I I3 3+R+
11、R2 2:(系统吸热,系统吸热,做功)做功)返回章首返回章首不可逆过程:不可逆过程:不能简单逆转完全复原的过程不能简单逆转完全复原的过程在同样条件下,逆过程不能发生。在同样条件下,逆过程不能发生。循环后系统复原,环境遗留不可逆变化。循环后系统复原,环境遗留不可逆变化。自然界实际发生的过程都是不可逆过程。自然界实际发生的过程都是不可逆过程。可逆过程:可逆过程:无限接近平衡且没有摩擦力条件下进无限接近平衡且没有摩擦力条件下进行的过程行的过程在同样条件下,正逆过程都能进行。在同样条件下,正逆过程都能进行。循环后系统复原,环境没有遗留不可逆变化。循环后系统复原,环境没有遗留不可逆变化。可逆过程是一种抽
12、象的理想过程。可逆过程是一种抽象的理想过程。实际过程实际过程实际过程实际过程 可逆过程可逆过程可逆过程可逆过程 不可能过程不可能过程不可能过程不可能过程返回章首返回章首可将该过程与一个以该过程的终态为初态,该过可将该过程与一个以该过程的终态为初态,该过程的初态为终态的可逆过程组成一个循环,然后程的初态为终态的可逆过程组成一个循环,然后考察一个循环后环境是否留有任何不可逆变化。考察一个循环后环境是否留有任何不可逆变化。没有没有可逆过程可逆过程有有 不可逆过程不可逆过程违反热力学第二违反热力学第二定律定律不可能过程不可能过程A AB B返回章首返回章首怎样判断一个过程怎样判断一个过程1.1.卡诺循
13、环卡诺循环卡诺循环卡诺循环返回章首返回章首2.3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理AB:恒温可逆膨胀恒温可逆膨胀BC:绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀CD:恒温可逆压缩恒温可逆压缩DA:绝热可逆压缩绝热可逆压缩卡诺热机的工作过程卡诺热机的工作过程卡诺循环卡诺循环卡诺卡诺热力学第二定律的两种说法热力学第二定律的两种说法热力学第二定律的两种说法热力学第二定律的两种说法克克克克劳劳劳劳修修修修斯斯斯斯:热热从从低低温温物物体体传传给给高高温温物物体体而而不不产产生生其其它它变变化化是不可能的。是不可能的。开开开开尔尔尔尔文文文文:从从一一个个热热源源吸吸热热,使使之之完完全全转转化化为为功功,而而不不产
14、产生生其其它变化它变化是不可能的是不可能的。返回章首返回章首2.2.卡诺定理卡诺定理卡诺定理卡诺定理所有工作于两个温度一定的热源之间的热机,所有工作于两个温度一定的热源之间的热机,以可逆热机的热机效率为最大。以可逆热机的热机效率为最大。不不不不可可可可能能能能返回章首返回章首总的效果卡诺定理的推论卡诺定理的推论卡诺定理的推论卡诺定理的推论所有工作于两个温度一定的热源之间的热机,所有工作于两个温度一定的热源之间的热机,以可逆热机的热机效率为最大。以可逆热机的热机效率为最大。在在两两个个一一定定温温度度的的热热源源间间运运转转的的卡卡诺诺循循环环,其其热热机机效效率率都都 具具 有有 最最 大大
15、值值 。仅仅决决定定于于两两个个热热源的温度。源的温度。返回章首返回章首3.3.热力学温标热力学温标热力学温标热力学温标第十届国际计量大会决定水的三相点的热力第十届国际计量大会决定水的三相点的热力学温度为学温度为273.16K(确值)(确值)。返回章首返回章首2.4 克劳修斯不等式和可逆性判据克劳修斯不等式和可逆性判据基本方法基本方法:采用循环和可逆过程为参照采用循环和可逆过程为参照,得出普遍性得出普遍性的关于过程方向和限度的规律。的关于过程方向和限度的规律。自然界中所有可能的宏观过程都是不可逆过程。自然界中所有可能的宏观过程都是不可逆过程。进行任何一个宏观过程,都等价于能量品位的降进行任何一
16、个宏观过程,都等价于能量品位的降 低,因而再也不能简单逆转,完全复原。低,因而再也不能简单逆转,完全复原。1.1.卡诺循环的热温商卡诺循环的热温商卡诺循环的热温商卡诺循环的热温商热温商热温商 =系统吸收或放出的热系统吸收或放出的热相应的环境温度相应的环境温度返回章首返回章首循环完成后,环境的变化循环完成后,环境的变化可通过逆卡诺循环消除,可通过逆卡诺循环消除,不遗留不可逆变化。不遗留不可逆变化。2.2.在两个热源之间进行的不可逆循环的热温商在两个热源之间进行的不可逆循环的热温商在两个热源之间进行的不可逆循环的热温商在两个热源之间进行的不可逆循环的热温商循环完成后,环境遗留不循环完成后,环境遗留
17、不能消除的不可逆变化。能消除的不可逆变化。返回章首返回章首3.3.任意循环的热温商任意循环的热温商任意循环的热温商任意循环的热温商返回章首返回章首任意可逆循环任意可逆循环任意可逆循环任意可逆循环任意不可逆循环任意不可逆循环任意不可逆循环任意不可逆循环返回章首返回章首4.4.任意可逆过程的热温商任意可逆过程的热温商任意可逆过程的热温商任意可逆过程的热温商可逆过程的热温商只决定于可逆过程的热温商只决定于可逆过程的热温商只决定于可逆过程的热温商只决定于初终态,与过程无关。初终态,与过程无关。初终态,与过程无关。初终态,与过程无关。返回章首返回章首AB5.5.任意不可逆过程的热温商任意不可逆过程的热温
18、商任意不可逆过程的热温商任意不可逆过程的热温商不可逆过程的热温商恒小不可逆过程的热温商恒小不可逆过程的热温商恒小不可逆过程的热温商恒小于可逆过程的热温商。于可逆过程的热温商。于可逆过程的热温商。于可逆过程的热温商。返回章首返回章首AB任意过程的热温商任意过程的热温商任意过程的热温商任意过程的热温商两个热源间循环两个热源间循环两个热源间循环两个热源间循环的热温商的热温商的热温商的热温商任意循环的热温商任意循环的热温商任意循环的热温商任意循环的热温商可可逆逆过过程程不不可可逆逆过过程程返回章首返回章首可将该过程与一个以该过程的终态为初态,该过可将该过程与一个以该过程的终态为初态,该过程的初态为终态
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