高二物理竞赛课件：均匀物质的热力学性质.pptx

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1、 均匀物质的热力学性质均匀物质的热力学性质引言 上章我们讨论了上章我们讨论了状态方程状态方程、内能内能和和熵熵的物理意义的物理意义及其特性，建立了热力学的及其特性，建立了热力学的基本方程基本方程。掌握了这些，。掌握了这些，原则上可解决全部平衡态的热力学问题。但就实际应原则上可解决全部平衡态的热力学问题。但就实际应用而言，这样做并不很方便。用而言，这样做并不很方便。例如，计算系统对外做功是热力学的重要问题之例如，计算系统对外做功是热力学的重要问题之一，除绝热过程系统做功可用内能这个态函数的变化一，除绝热过程系统做功可用内能这个态函数的变化计算外，其余均需考虑过程，计算复杂。热量的计算计算外，其余

2、均需考虑过程，计算复杂。热量的计算也有类似情况。也有类似情况。热力学另一重要问题是判断不可逆过程进行的方热力学另一重要问题是判断不可逆过程进行的方向及系统是否达到平衡，使用熵增加原理须构造一孤向及系统是否达到平衡，使用熵增加原理须构造一孤立系或绝热系，这也不总是方便的。立系或绝热系，这也不总是方便的。因此，人们希望找到象内能、熵这样的态函数，因此，人们希望找到象内能、熵这样的态函数，把一些过程中的功、热量的计算归结为求态函数在把一些过程中的功、热量的计算归结为求态函数在初末两态的差，摆脱对过程细节的考虑，方便判断初末两态的差，摆脱对过程细节的考虑，方便判断不可逆过程进行方向。不可逆过程进行方向

3、。本章将引入自用能本章将引入自用能 F 和吉布斯函数和吉布斯函数G两个态函数，两个态函数，根据热力学基本方程，利用微分学导出均匀闭系普根据热力学基本方程，利用微分学导出均匀闭系普遍适用的热力学关系；作为应用，将讨论气体的热遍适用的热力学关系；作为应用，将讨论气体的热力学性质及节流膨胀和绝热膨胀。力学性质及节流膨胀和绝热膨胀。说明：本章在定义新的态函数和导出普遍热力学关说明：本章在定义新的态函数和导出普遍热力学关系时，都以系时，都以P P、V V、T T 系统为例进行。系统为例进行。2.1 2.1 自由能和吉布斯函数自由能和吉布斯函数一一.自由能自由能对于对于等温等温条件条件:引入新的热力学函数

4、引入新的热力学函数:自由能自由能有有:2.2.最大功原理：最大功原理：系统自由能的减少是在等温过程中系统自由能的减少是在等温过程中 从系统所能获得的最大功。从系统所能获得的最大功。按此原理和按此原理和F=U-TS可知：自由能是内能的一部分，是可可知：自由能是内能的一部分，是可逆等温过程中可用来对外作功的部分，而逆等温过程中可用来对外作功的部分，而TS为束缚能。为束缚能。1.1.定义定义:本节要求：本节要求：理解自由能和吉布斯函数的概念；理解自由能和吉布斯函数的概念；理解自由能判据和吉布斯判据理解自由能判据和吉布斯判据3.3.自由能判据自由能判据等温等容过程中，系统的自由能永不增加（等温等容过程

5、中，系统的自由能永不增加（系统只有体积功系统只有体积功)说明说明:对于复杂的系统对于复杂的系统,如复相系或多元系如复相系或多元系,T和和V确定后系统的确定后系统的状态仍可以变化状态仍可以变化.该式表明：等温等容过程中，系统发生的过程总是向着自该式表明：等温等容过程中，系统发生的过程总是向着自由能减少的方向进行，平衡态时自由能最小。由能减少的方向进行，平衡态时自由能最小。4.4.F是是态函数态函数，单位焦耳，是，单位焦耳，是广延量广延量。可以把自由能的定义可以把自由能的定义 F=U-TS 推广到具有一定温度的推广到具有一定温度的非平衡态情况非平衡态情况.对于对于等温等压等温等压条件条件:引入新的

6、热力学函数引入新的热力学函数:吉布斯函数吉布斯函数二二.吉布斯函数吉布斯函数1.1.定义定义:2.2.最大功原理：最大功原理：等温等压过程中，除体积变化功外，等温等压过程中，除体积变化功外，系统对外作的功不大于吉布斯函数的减少系统对外作的功不大于吉布斯函数的减少(或吉布斯或吉布斯函数的减少等于系统对外作的最大非膨胀功函数的减少等于系统对外作的最大非膨胀功).有有:G=U+pV TS=H TS,故吉布斯函数也叫故吉布斯函数也叫自由焓自由焓.自由焓是焓的一部分，是可逆等温等压过程中可用来自由焓是焓的一部分，是可逆等温等压过程中可用来对外作非膨胀功的部分对外作非膨胀功的部分.3.3.吉布斯判据吉布斯

7、判据等温等压过程中，系统的吉布斯函数永不增加等温等压过程中，系统的吉布斯函数永不增加 （系统只有系统只有体积功体积功,无其他形式的功无其他形式的功)该式表明：等温等压过程中，系统中发生的过程是向着吉布该式表明：等温等压过程中，系统中发生的过程是向着吉布斯函数减少的方向进行，平衡态时，吉布斯函数最小斯函数减少的方向进行，平衡态时，吉布斯函数最小.说明说明:对于复杂的系统对于复杂的系统,如复相系或多元系如复相系或多元系,T和和p确定后系确定后系统的状态仍可以变化统的状态仍可以变化.4.4.G是是态函数态函数，单位焦耳，是，单位焦耳，是广延量广延量。可以把吉布斯函数的定义可以把吉布斯函数的定义 G=

8、U+pVTS 推广到具有推广到具有一定温度和压强的非平衡态情况一定温度和压强的非平衡态情况.焓判据焓判据:绝热等压过程中，系统的焓永不增加（系统无绝热等压过程中，系统的焓永不增加（系统无其他形式的功其他形式的功).).系统发生的过程总是向着焓减少的方向系统发生的过程总是向着焓减少的方向进行，平衡态时，焓最小进行，平衡态时，焓最小.一一.状态函数的全微分状态函数的全微分（特性函数，自然变量）（特性函数，自然变量）2.2 2.2 内能、焓、自由能、吉布斯函数的全微分内能、焓、自由能、吉布斯函数的全微分看成是看成是U以以S,V为变量的全微分为变量的全微分 看成是看成是H以以S,p为变量的全微分为变量

9、的全微分 看成是看成是F以以T,V为变量的全微分为变量的全微分 看成是看成是G以以T,p为变量的全微分为变量的全微分 可逆过程的可逆过程的 4 4个热力学基本等式个热力学基本等式 本节要求：本节要求：掌握状态函数的全微分；掌握状态函数的全微分；记住热力学偏导数和麦克斯韦关系。记住热力学偏导数和麦克斯韦关系。二二.麦麦克克斯斯韦韦关关系系热力学微分关系热力学微分关系热力学函数热力学函数热力学基本方程热力学基本方程热力学偏导数热力学偏导数麦克斯韦关系麦克斯韦关系Uv简单记忆麦克斯韦关系的一种方法：简单记忆麦克斯韦关系的一种方法：UHGFVTSP1、将、将V、T、P、S沿顺时针排放在四个顶角沿顺时针

10、排放在四个顶角2、将、将U、F、G、H放在两变量之间，使该放在两变量之间，使该热力学函数恰好以两侧变量为独立变量。热力学函数恰好以两侧变量为独立变量。3、对角线从下往上、对角线从下往上特性函数各偏导数的确定，顺时针为正，特性函数各偏导数的确定，顺时针为正，逆时针为负。逆时针为负。正负号的判断：含箭头为偶数为正，为奇数则为负正负号的判断：含箭头为偶数为正，为奇数则为负UHGFVTSP4、对各热力学量求偏导：以某一个开、对各热力学量求偏导：以某一个开始，等式右边第一个为沿此方向左边最始，等式右边第一个为沿此方向左边最后一个的下一个，方向与左边的相反后一个的下一个，方向与左边的相反二二.辐射场的热力学函数辐射场的热力学函数 设空腔的体积为设空腔的体积为 （即辐射场的体积），辐射场的总能量（即辐射场的体积），辐射场的总能量（内能）为（内能）为 。由此可得。由此可得 ；又；又 ；代入能态方程；代入能态方程 得得:，即，即积分得积分得式中式中a为积分常数。所以平衡辐射场的内能是为积分常数。所以平衡辐射场的内能是斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律:称为斯忒藩常数，其实验值为称为斯忒藩常数，其实验值为1.求求 u(T)辐射的绝热方程辐射的绝热方程:3.其它热力学函数其它热力学函数2.求求S