第七章 热力学基础
热力学从能量观点出发,分析研究热力学系统状态变化中有关能量转换的关系与条件.热力学的理论基础是热力学第一定律与热力学第二定律.热力学第一定律的实质是能量转换与守恒.热力学第二定律则是指明过程进行的方向与条件的另一基本定律.
§7-1 热力学第一定律
一.准静态过程(平衡过程)
1.热力学过程
当系统的状态随时间变化时,我们就说
系统在经历一个热力学过程,简称过程.
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实际发生的过程往往进行的较快,在新的平衡态达到之前系统又继续了下一步变化.这意味着系统在过程中经历了一系列非平衡态,这种过程为非静态过程.作为中间态的非平衡态,通常不能用状态参量来描述.
例:推进活塞压缩汽缸内的气体.
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显然过程的发生,系统往往由一个平衡状态到平衡受到破坏,再达到一个新的平衡态.
从平衡态破坏到新平衡态建立所需的时间称为弛豫时间,用τ表示.
一个过程,如果任意时刻的中间态都无限
接近于一个平衡态,则此过程为准静态过程.
2.准静态过程(平衡过程)
显然,这种过程只有在进行得 " 无限缓慢 " 的条件下才可能实现.对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间远远大于弛豫时间τ才可近似看作准静态过程.
显然作为准静态过程中间状态的平衡态,具有确定的状态参量值,对于简单系统可用P—V图上的一点来表示这个平衡态.系统的准静态变化过程可用P—V图上的一条曲线表示,称之为过程曲线.准静态过程是一种理想的极限.
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严格说来,准静态过程是无限缓慢的状态变化过程.
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例如:准静态传热过程.所有热量的传递都是在系统和热源的温度相差极为微小的情形下进行的,这个温度升高的过程无限接近于平衡过程.
二.功,热量,内能
无摩擦准静态过程,其特点是没有摩擦力,外界在准静态过程中对系统的作用力,可以用系统本身的状态参量来表示.
Pe
P
[例] 右图活塞与汽缸无摩擦,当气体作准静态压缩或膨胀时,外界的压强Pe必等于此时气体的压强P,否则系统在有限压差作用
下,将失去平衡,成为非
静态过程.若有摩擦力存
在,虽然也可使过程进行
得"无限缓慢",但Pe≠ P.
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1. 功
如图所示,气缸中的气体膨胀推动活塞对其作功.
当活塞移动微小位移dl时,气体推动活塞所作的元功为
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