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📜  热力学的基本概念

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:12.687000             🧑  作者: Mango

热力学的基本概念

热力学涉及热量和温度的概念，以及热交换和其他形式的能量。被称为热力学的科学分支与研究各种能量及其相互转换有关。这些量的行为受热力学的三个主要定律支配，它们提供了定量描述。热力学这个词是威廉汤姆森在 1749 年创造的。下一节将深入探讨一些最常用的热力学术语。

什么是热力学？

热力学是一门科学领域，研究热、功和温度之间的联系，以及它们与能量、辐射和物质物理性质的相互作用。从最广泛的意义上讲，热力学与能量从一个位置到另一个位置以及从一种形式到另一种形式的转移有关。

物体内微观粒子的运动会产生热量，这些粒子运动得越快，产生的热量就越多。热力学并不关心这些能量转换发生的速率。它基于初始状态和最终状态中发生的变化。还值得注意的是，热力学是一个宏观研究领域。这意味着它关注的是整体系统而不是物质的分子结构。

热力学基本概念

热力学有自己的一套与之相关的术语。对基本思想的透彻理解确保了对热力学中涵盖的众多主题的深刻理解，避免了任何误解。下面介绍热力学概念。

系统

如果物理质量和化学成分在整个系统中保持一致，则称它们是均匀的。另一方面，如果一个系统由具有不同物理和化学特性的部分组成，则它被认为是异构的。根据物质和能量进出系统的方式，可以分为三类。存在三种不同类型的系统。

  • 开放系统——开放系统是可以与周围环境交换物质和能量的系统。因此，质量和能量可以在开放系统中的系统与其周围环境之间传递。由于它会获得和失去物质和能量，因此开瓶中的热咖啡是开放系统的一个例子。例如，开放系统是蒸汽轮机。
  • 封闭系统——封闭系统交换能量，但不与周围环境交换物质。能量的传递发生在封闭系统的边界上，但质量的传递却没有。封闭系统包括制冷机和活塞-气缸组件中的气体压缩。不锈钢瓶中的咖啡也是封闭系统的一个例子，因为能量，但不是物质，可以流过不锈钢壁。
  • 孤立系统——孤立系统是无法与周围环境交换物质或能量的系统。不存在完全孤立的系统。另一方面，隔离系统是完全密封的，以防止物质进入或流出，并且是隔热的，以防止热流。宇宙被认为是自给自足的。由于它不会获得或失去能量或物质，因此塞住保温瓶中的热咖啡就是孤立系统的一个例子。

周围

另一方面，系统的变化对整个宇宙没有影响。因此，周围环境是剩余宇宙中可以与系统交互以用于所有实际目的的那部分。一般来说，周围环境被定义为在其周围环境中的一个空间区域。

热力学的不同分支

以下是热力学的四个分支。

  1. 经典热力学- 使用经典热力学中的宏观方法研究物质的行为。个人会考虑温度和压力等单位，这有助于计算其他属性并预测正在经历该过程的物质的特征。
  2. 统计热力学——每个分子都是统计热力学的焦点，这意味着每个分子的特性以及它们如何相互作用都被考虑在内，以表征一组分子的行为。
  3. 化学热力学——研究化学反应和状态转变中功和热如何相互作用的研究被称为化学热力学。
  4. 平衡热力学- 平衡热力学是研究能量和物质在接近平衡时的转变。

热力学性质

热力学涉及大量的化学实体，例如原子或分子。系统的宏观性质是源于物质的整体行为的那些。热力学特性被定义为可用于指定系统状态的系统特性。热力学性质分为两类，如下所示。

  1. 外延属性——外延属性是系统属性，其值取决于系统中存在的材料的数量或大小。扩展特性的值取决于系统的质量。内能、熵、自由能和焓只是众多属性中的一小部分。
  2. 密集属性- 密集属性是系统属性，其值与系统中存在的物质的数量或大小无关。密集物质的特性是那些与物质存在量无关的特性。蒸气压、压力、粘度、表面张力和温度只是众多密集特性中的一小部分。

热力学平衡

系统的所有属性在任何给定状态下都有固定值。结果，即使一个属性的值发生变化，系统的状态也会发生变化。当一个系统处于平衡状态时，当它与周围环境隔离时，它的属性值不会改变。

  • 热平衡- 当整个系统的温度相同时，系统被称为处于热平衡状态。
  • 机械平衡- 当系统中任何点的压力没有变化时，系统被称为机械平衡。
  • 化学平衡- 化学平衡定义为系统的化学成分不随时间变化的系统。
  • 相平衡——当两相体系的每一相的质量达到平衡水平时，称为相平衡。

如果一个热力学系统处于化学平衡、机械平衡和热平衡，并且相关参数不再随时间变化，则称它处于热力学平衡。

热力学过程

一个过程可以改变热力学系统的状态。换句话说，进程指定了系统从一种状态转换到另一种状态的路径或过程。该过程可能伴随着系统与周围环境之间的物质和能量交换。

一些典型形式的热力学过程有其自身的一组特征，如下所列。

  1. 等温过程- 温度没有变化的过程，即系统温度保持恒定。在这样的系统中，热量要么被供应到系统，要么被从系统中移除。
  2. 绝热过程——当系统不与周围环境进行热交换时，没有热量离开或进入系统。在此过程中没有热量传入或传出系统。在这样的过程中，系统的温度是不断变化的。发生此类活动的系统与周围环境热隔离。
  3. 等压过程——系统压力保持恒定的过程，即不发生压力变化。
  4. 等容过程——系统体积保持不变的过程，即体积没有变化，系统不做功。
  5. 可逆过程- 可逆过程是一种可以在过程中的任何点通过对变量（例如温度或压力）进行轻微改变来改变流动方向的过程。在整个过程中，系统始终与周围环境保持虚拟平衡状态。
  6. 不可逆过程- 无法逆转的过程称为不可逆过程。反作用力与驱动力不同。自然过程是不可逆的。
  7. 循环过程- 循环过程是系统在返回其初始状态之前经过一系列修改的过程。

热力学定律

热力学定律规定了在热平衡中表征热力学系统的基本物理性质，例如能量、温度和熵。热力学定律描述了这些量在各种情况下的反应。

热力学受四个定律支配，如下所述。

  • 热力学第零定律-根据热力学第零定律，如果两个物体分别与第三个物体处于热平衡状态，则前两个物体彼此也处于热平衡状态。这表明如果系统 A 与系统 B 处于热平衡状态，系统 C 与系统 B 也处于热平衡状态，则系统 A 和 C 都处于热平衡状态。
  • 热力学第一定律-根据热力学第一定律，能量不能产生或破坏，但可以从一种形式转换为另一种形式。热、内能和功都由热力学第一定律解决。根据热力学第一定律，能量不能产生或破坏，但它可以从一种形式转换为另一种形式。根据该定律，提供给系统的一部分热量用于改变内部能量，而剩余的热量用于做功。
  • 热力学第二定律-在孤立系统中，热力学第二定律断言熵总是增加。任何孤立的系统都会自发地向热平衡或最大熵状态发展。宇宙的熵一直在增加，从不减少。
  • 热力学第三定律- 热力学第三定律指出，当温度接近绝对零时，系统的熵接近一个常数值。在绝对零温度下，纯结晶固体的熵为零。如果完美的晶体只有一种能量最小的状态，那么这个断言是正确的。

示例问题

问题1：桌子上的一杯茶是开放的、封闭的还是孤立的系统？

回答：

问题2：自发过程和非自发过程有什么区别？

回答：

问题3：热力学在我们的日常生活中扮演什么角色？

回答：

问题4：压力和力之间的哪个属性是密集属性？

回答：

问题5：热容量和比热之间的性质，哪一项是广泛的，哪一项是密集的？

回答：