第一章冶金热力学基础
1.冶金反应的焓变和吉布斯自由能变计算
2.化学反应等温方程式
3.溶解组元的活度及活度系数
4.有溶液参加反应化学反应等温方程式分析
5.熔铁及其合金的结构
6.铁液中组分活度的相互作用系数关系式
7.铁液中元素的溶解及存在形式
8.熔铁及其合金的物理性质
绪论
冶金过程，尤其是钢铁冶金过程是高温、多相、多组元的复杂物理化学反应体系，一般而言：
温度：>1000℃，炼钢温度在1600℃，甚至1700℃；
多相：包括气—液—固三相
气相：大气、燃气、反应气体、金属及其化合物的蒸气；
液相：金属液、渣液；
固相：金属矿石、固体燃料、耐火材料；
多组元：金属液、炉渣、燃料都不是纯物质，而是多组元物质。
冶金过程物理变化：
熔化、溶解、吸附、脱气、分金属夹杂上浮、金属的凝固等；
冶金过程化学反应：
燃料燃烧反应、生成—离解反应、氧化—还原反应、脱硫反应、脱磷反应、脱氧反应、脱碳反应等。
对这样的复杂体系，冶金物理化学能做什么？
运用物理化学基本原理及实验方法，冶金物理化学研究和分析冶金过程的基本规律，为探索高效、优质、绿色的冶金工艺过程提供理论依据。
冶金物理化学大致分为：
冶金热力学——主要研究冶金过程（反应）进行的方向和限度，以及在复杂体系中实现意愿反应的热力学条件。
是以体系的状态（平衡态）为基础，以状态函数描述过程的可能性为基本分析方法，不涉及“时间”这个参数。
冶金动力学——主要研究冶金过程（反应）的机理和速率，以及确定过程的限制性环节和强化过程的措施。
工业过程是要在有限时间内完成反应产物的获得，光有“可能性”还不够，要有“实现性”，这就必然涉及过程（反应）的机理和速率。
冶金熔体——高温金属熔体和熔渣结构、性质及模型描述。
冶金电化学——高温电解反应、金属液熔渣多相反应的机理和描述。
应该说，正是冶金物理化学的发展，才使得冶金由“技艺”成为“工程”和含有“科学”分量。相对而言，冶金热力学发展得较为成熟，但研究高温下多相复杂冶金反应很困难，许多热力学数据还不完整。而冶金动力学等其他领域的研究方兴未艾，进展较快，日趋成熟。
正是由于一些冶金现象的本质未被完整揭示，不同的研究者在理论上的见解不尽一致是可以理解的，这些也会反映到教学中来，需要辩证地认识。
第一章冶金热力学基础
在高温下，冶金反应进行得很快，冶金热力学用热力学数据，通过计算和分析，获得给定条件下冶金反应进行的方向和限度，以及改变条件（温度、压力、浓度）对冶金反应方向的影响等。
本章即以化学热力学为基础，探讨冶金热力学的基本规律。
1.1 冶金反应的焓变和自由能变计算
冶金过程涉及大量的化学反应、成液反应、相变反应及其他的物理变化，研究这些过程热效应的知识称为“冶金热化学”。
体系中所有分子做热运动的动能和分子势能以及分子、原子内部所具有的能量的总和叫做体系的内能“U”。焓（）定义是：
=
H+
U
pV
式中：
P——压强（压力），；
V——体积，m3。
焓和内能一样是体系的状态函数，在一定状态下每一物质都有特定的焓。焓具有加和性，是广度性质的函数。简单来讲，焓是在压力一定的条件下，衡量一个体系能量多少的热力学函数。
我们不能测定体系的热力学能的绝对值,所以也不能测得焓的绝对值.当体系发生状态变化,如果是恒容过程(体积不变),既不作其它功,也不作体积功，则有:
和自由能（）都是体系的热力学函数，是判断等温、等压条件下冶金反应的方向及平衡态的依据。有的书刊上称它为：吉氏自由能( )。自由焓计算是冶金过程热力学的中心内容和基本手段。
自由能自由能：在热力学当中，自由能指的是在某一个热力学过程中，系统减少的内能中可以转化为对外作功的部分，它衡量的是：在一个特定的热力学过程中，系统可对外输出的“有用能量”。
自由能
在物理化学中，按照亥姆霍兹的定容自由能F与吉布斯的定压自由能G的定义，（p为压力，V为体积）。在生物的反应中，因为△（）可以忽略不计，所以两者是相同的。只有这样，A的变化△△△S才成为主要讨论的问题（U、T、S分别是该系统的内能、绝对温度、熵）。△A给出了生物反应中释放出来可用于做功的能量上限。其变化量（一般用△G*表示）在生物学上使用时必须注意下列事项：（1）水的活度，可随意设为1.0进行计算：（2）因[]=1M 并不符合实际情况，一般认为[]=10-7M（7），为了区别其符号写成△G0′；（3）例如反应，因各种成分并非标准浓度（1M），把实际浓度代入下式后其值△G′就有问题了；（4）在共轭反应中，要注意各种成分反应的变化量之和；（5）把△G0改为用平衡常数[1]（）表示，往往是很有用的。例如在25℃下
△G0******* E0 K5 f9 t1 U5 H) I4 Q8 u2 m
如何判断在一个封闭系统内是否发生一个自发过程？吉布斯自由能就是这样一个状态函数之一，而却是最常用的一种：封闭系统在等温等压条件下可能做出的最大有用功对应于状态函数——吉布斯自由能（有时简称自由能或吉布斯函数，符号为G）的变化量。
△′, A: Z x9 Y* E. B
有上标加上的“′”的W′通指有用功，下表则是表示它的绝对值达到最大值。5 Z2 ]4 k! ^2 o5 x9 M9 L
对于化学反应，它的吉布斯自由能的变化量△G可以通过电化学方法测得，即：$ }" J7 R U! j, ~
△- W( v9 E6 r; W* Y4 O
其中E为原电池的电动势，上式表明，若电动势为E时向外电路释放n 电子，电池的吉布斯自由能的变化量△G（≡G终态始态）就等于。" A$ z, c( \3 d, f: d 吉布斯自由能是过程自发性的判断，它的大小相当于系统向环境作最大可能的有用功，因此，我们也可以说，吉布斯自由能是系统做有用功的本领度量，也就是系统过程自发性的度量。不过不要忘记，我们前面已经明确，吉布斯自由能用以度量系统作最大有用功的条件是系统内发生的过程是等温等压过程。若发生等温等容过程或其他过程，需要另作别论。
有人可能会问：为什么单单用等温等压过程系统向环境作最大有用功的能力而不用包括气体膨胀功在内的总功来度量系统发生自发过程的可能性呢？原因在于，系统发生自发过程，膨胀功是可正可负的。可见单单考虑系统作有用功，排除了膨胀功，问题才更纯，更明确。0 k0 ~( y1 k: }
总之，在等温等压条件下系统自发过程的判断是：# O* J2 Q! K' L" C6 m' I
△G< 0
即：△G<0，过程自发；△G>0，过程不自发（逆过程自发）；△0,达到平衡态。一个自发过程，随着过程的发展，△G的绝对值渐渐减小，过程的自发性渐渐减弱，直到最后，△0，达到平衡。7 L5 G7 D7 A! ]& u! G
对于一个化学反应，可以像给出它的标准摩尔反应焓△Θ一样给出它的标准摩尔反应自由能变化△Θ（为简洁起见，常简称反应自由能）。
跟热力学能变△U、焓变△H随温度与压力的改变不会发生大的改变完全不同，反应自由能△随温度与压力的改变将发生很大的改变。因此，从热力学数据表中直接查出或计算出来的298.15K，标态下的△Θ（298.15K）的数据，不能用于其它温度与压力条件下，必须进行修正。
用热力学理论可以推导出，求取T温度下的气体压力对△Θ的影响的修正公式为：∏（Θ）
其中∏是算符，表示连乘积（例如，a1×a2×a3=╥1,2,3）Θ为标态压力=100，为各种气体（与△（T）对应）的非标态压力，是化学方程式中各气态物质的计量系数，故J是以计量系数为幂的非标态下各气体的分压与标准压力之比的连乘积。8 {5 e) B y; S! _ f 若系统中还有溶液，上式应改为：
∏（Θ）?∏（Θ） 3 k) P1 f3 }7 h
若系统中只有溶液，则上式又应改为：; |. q, V, y, p7 K V4 V
∏（Θ）9 J! f* U* W0 K' {
对大多数化学反应而言，温度对反应自由能的影响要大大超过反应物的分压（以及浓度）对反应自由能的影响。通过实验或热力学理论计算，可以得出各种反应的自由能受温度的影响情形。若以反应的标准摩尔自由能△Θ为纵坐标，以反应温度作为横坐标，可以形象地看出温度怎样影响一个反应的标准自由能（如右图所示）* v, Y8 T' ?' E3 G" g 从图中可以看出，有的反应的自由能随温度升高而增大，有的则减小，曲线的斜率也
不尽相同，而且，实验与理论推导都证实，自由能随温度的变化十分接近线性关系，当温度区间不大时，作线性化近似处理不会发生太大偏差，相当于把图中的曲线拉直。借助这种近似处理可以得到温度对反应自由能影响的线性方程：) M, I1 |* z5 S2 ?5 B
△Θ
a直线在纵坐标上的截距，b是直线的斜率。热力学理论推导了这个方程的截距和斜率，证实截距恰为反应焓△Θ，斜率恰为另一状态函数S的变化值△S的负值（△Θ）：△Θ=△Θ△Θ
1.1.1 化学反应等温方程式的建立
在物理化学中，关于吉布斯能的微分表述为：
SdT Vdp dG -=
这一关系式奠定了冶金物理化学的理论研究基础。该关系式直接推论是： V p G T =??)( （1-1-1） 及 S T
G p -=??)( （1-1-2） 这两个关系式非常重要：
由（1-1-1）得出了化学反应等温方程式，是冶金反应热力学的基础；
由（1-1-2）推得氧势图等图线，揭示了生成—离解反应的规律。
先看看关系式（1-1-1）吧！
对理想气体物质B ，式（1-1-1）可表示为：
B B )(V p
G T =?? （1-1-3） 将理想气体状态方程RT V p =B B 代入（1-1-3），在恒温条件下对压强积分有：
B B B ln p RT G G +=θ (1-1-4)
式中
B G ——理想气体B 组元的摩尔吉布斯能，1mol J -?
θB G ——积分常数，即101325Pa Pa 1B == p p 的B G ，又称B 组元标准态下
的吉布斯能，1mol J -?。
)(B T f G =θ，标准吉布斯自由能仅仅是温度的单值函数，与B 的分压无关。 对于理想气体反应：
44332211B B B B νννν+=+........... (A )
按i i i p RT G G B,B,B,ln +=θ
反应的吉布斯自由能变为：∏+?=?=41B,,B ln i i i p RT G G ν
θ (1-1-5) 这就是化学反应的等温方程式，式（1-1-5）中：
i i G G B,,B ∑?=?ν——反应的自由能变
θθνi i G G B,,B ∑?=?——反应的标准自由能变
等温方程式可以简写为：p J RT G G ln +?=?θ (1-1-6)
令反应的压力商： 实际
??? ??∏==41B,,B i i p i p J ν (1-1-7) 当反应达到平衡，0=?G ，由（1-1-6）式可得：
平衡??? ??∏-=?=41B,,B ln i i i p RT G νθ
(1-1-8)
令：平衡
??? ??∏==41B,,B i i i p K νθ 则有：θθK RT G ln -=? (1-1-9) 再代入（1-1-6）式，有
θννθK J RT p p RT J RT G G p i i i i p i i ln ln ln 41B,41B,,B ,B =??? ??∏??? ??∏=+?=?==平衡
实际 (1-1-10) 这就是化学反应等温方程的通式。
1.1.2 等温方程式的意义
1) 反应进行的方向
按物理化学理论，在恒温恒压条件下，过程总是向吉布斯自由能减低得方向进行。对于一个化学反应，在给定的（恒温恒压）条件下，可类比为一个过程，按自由能理论，要向自由能减小的方向进行，即对于反应：
ν
也就是说，G ?是判定恒温恒压条件下反应进行方向的物理量。
2) 反应进行的限度
反应进行的限度就是反应的动态平衡状态。
由θθK RT G ln -=?可知，θ
G ?是描述反应限度（平衡）的物理量。 θG ?越负，对应的正反应θK 愈大，正反应可能进行得愈完全；
θG ?越正，对应的正反应θK 愈小，逆反应可能进行得愈完全；
0≈?θG ， 对应的正反应1→θK ，反应的可逆性很大；
同时，θG ?又是标准状态（Pa 1B, p p i =）条件下的G ?，所以θ
G ?及θK 都仅仅是温度的单值函数，是参加反应的各物质本身及标准态的性质。
θG ?连接着标准状态和平衡状态，可以理解为“以标准状态下为起点预示的反应的动态平衡状态”。
θG ?不可以代替G ?判定恒温恒压条件下反应进行方向，只有θG ?很大，
按等温方程式p J RT G G ln +?=?θ，即使考虑p J RT ln 的修正也不能形成G ?与
θG ?易号情况下，才能用θG ?代替G ?恒温恒压条件下反应进行方向。对于实际冶金反应，建议要用G ?而不是θ
G ?对反应的方向性进行分析、判定。
3) 外界条件改变
有时，化学反应的方向不一定是人们所希冀的，可以通过改变外部（环境）条件使这个反应朝着人们希望的方向进行。由等温方程式： 44332211B B B B νννν+=+
G ?
θθK J RT J RT G G p
p ln ln =+?=?
显然，改变外部（环境）条件，减小p J 值，在一定条件下，可以使G ?的符号发生变化，这时该反应的方向也就发生改变，反应本身也就远离了平衡状态。
4) 多相化学反应
化学反应的等温方程式是以理想气体单相反应为对象推导出的，但也可以应用于多相反应，这时在等温方程式中，参加反应的气态物质仍以其分压来表述，非气态物质以其浓度或活度来表述，未形成熔体的固态和液态物质的活度为1。这就变成广义的化学反应的等温方程式（1-1-11），在分析冶金问题时经常遇到。 ()∏?+?=?=n i i i i
i a p RT G G 1B,B,,B ,B ln ννθ （1-1-11）
其中：()实际∏?==n i i i p i i a p J 1B,B,,B ,B νν 称为多相反应的“压力活度商”。
5) 单位反应进度的自由能变
等温方程式也表示化学反应正方向按化学计量进行单位反应进度的自由能变：
m r i i G G d dG ?=∑?=B,,B νξ
1-mol J ? 其中：ξ——化学反应的进度，。
所以以后讨论具体反应热力学时，热力学量标注m ，以表示是单位反应进度
的热力学量变化，例如：m r G ?、θm r G ?、m r H ?、θm r H ?、m r S ?、θm
r S ?、m p C ,?等。 【例题1】 用硅还原以制取金属镁的反应为：
(g)2(s)(s)(s)2Mg SiO MgO 2Si +=+ mol /J 7.211523000T G m r -=?θ
在1500K 时标准态下（Pa 1Mg θp p =），-1mol J 205000?=?=?θm r m r G G ，说
明在此温度的标态下，该反应不能发生。
如果加入添加剂，考虑成盐反应：
将上述两个反应相加，得：
(g)4(s)2(s)(s)(s)2Mg SiO Ca CaO 2MgO 2Si +=++
-1mol J 7.216396000?-=?T G m r θ
此反应在1500K 时，-1mol J 71600?=?θm r G ，与不加相比，θm r G ?已明显降低，但在标准状态下，该反应正向仍然不能进行。
在生产实践中，不仅加入，还抽真空，使反应体系处于相对真空状态。若体
系压力降低到Pa 01.0Mg θp p =下，则依等温方程式：
2Mg ln 7.216396000ln p RT T J RT G G p m r m r +-=+?=?θ
在1500K 时，可得0mol J 43912-1
在实际工业生产中，是在1473K 左右，用硅铁粉还原白云石（·），在压力为
1.3~13的真空下，可以制取气态镁，然后再将镁蒸气迅速冷凝为固态粗镁。这就是皮江（）法的热力学原理。
此例说明，在1500K 时，尽管0mol J 71600-1>?=?θm
r G ，但通过改变外部条件，采用真空方法，降低了Mg p ，也就是降低了该反应的p J 值，这样，反应的0mol J 43912-1
-1
mol J 0.5126400?--=?T G m r θ4(s)
22(s)(s)SiO Ca SiO CaO 2=+
《热力学基础》计算题 1. 温度为25℃、压强为1 atm 的1 mol 刚性双原子分子理想气体，经等温过程体积膨胀 至原来的3倍． (普适气体常量R ＝8.31 1 --??K mol J 1，ln 3=1.0986) (1) 计算这个过程中气体对外所作的功． (2) 假若气体经绝热过程体积膨胀为原来的3倍，那么气体对外作的功又是多少？ 解：(1) 等温过程气体对外作功为 ??=== 0000333ln d d V V V V RT V V RT V p W 2分 =8.31×298×1.0986 J = 2.72×103 J 2分 (2) 绝热过程气体对外作功为 V V V p V p W V V V V d d 000 03003??-== γγ RT V p 1 311131001--=--=--γγγ γ 2分 ＝2.20×103 J 2分 2.一定量的单原子分子理想气体，从初态A 出发，沿图示直线过程变到另一状态B ，又经过等容、 等压两过程回到状态A ． (1) 求A →B ，B →C ，C →A 各过程中系统对外所作的功W ，内能的增量?E 以及所吸收的热量Q ． (2) 整个循环过程中系统对外所作的总功以及从外界吸收的总热量(过程吸热的代数和)． 解：(1) A →B ： ))((211A B A B V V p p W -+==200 J ． ΔE 1=ν C V (T B －T A )=3(p B V B －p A V A ) /2=750 J Q =W 1+ΔE 1＝950 J ． 3分 B → C ： W 2 =0 ΔE 2 =ν C V (T C －T B )=3( p C V C －p B V B ) /2 =－600 J ． Q 2 =W 2+ΔE 2＝－600 J ． 2分 C →A ： W 3 = p A (V A －V C )=－100 J ． 150)(2 3)(3-=-=-=?C C A A C A V V p V p T T C E ν J ． Q 3 =W 3+ΔE 3＝－250 J 3分 (2) W = W 1 +W 2 +W 3=100 J ． Q = Q 1 +Q 2 +Q 3 =100 J 2分 1 2 3 1 2 O V (10-3 m 3) 5 A B C
第十章热力学定律 知识网络： 一、 功、热与内能 ●绝热过程：不从外界吸热，也不向外界传热的热力学过程称为绝热过程。 ●内能：内能是物体或若干物体构成的系统内部一切微观粒子的一切运动形式所具有的能量的总和，用字母U 表示。 ●热传递：两个温度不同的物体相互接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，这个过程称之为热传递。 ●热传递的方式：热传导、对流热、热辐射。 二、 热力学第一定律、第二定律 第一定律表述：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所作的功的和。表达式u W Q ?=+ 第二定律的表述：一种表述：热量不能自发的从低温物体传到高温物体。另一种表述：（开尔文表述）不可能从单一热库吸收热量，将其全部用来转化成功，而不引起其他的影响。 应用热力学第一定律解题的思路与步骤： 一、明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。 二、别列出物体或系统(吸收或放出的热量)外界对物体或系统。 三、据热力学第一定律列出方程进行求解，应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据，对结果的正负也同样依照规则来解释其意义。 四、几种特殊情况： 若过程是绝热的，即Q=0，则：W=ΔU ，外界对物体做的功等于物体内能的增加。 若过程中不做功，即W=0，则：Q=ΔU ，物体吸收的热量等于物体内能的增加。 若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU=0，则:W+Q=0,外界对物体做的功等于物体放出的热量。
对热力学第一定律的理解： 热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的方式是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系，此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。 对热力学第二定律的理解: ①在热力学第二定律的表述中,自发和不产生其他影响的涵义，自发是指热量从高温物体自发地传给低温物体的方向性，在传递过程中不会对其他物体产生影响或需要借助其他物体提供能量等的帮助。不产生其他影响的涵义是使热量从低温物体传递到高温物体或从单一热源吸收热量全部用来做功，必须通过第三者的帮助，这里的帮助是指提供能量等，否则是不可能实现的。 ②热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 对能量守恒定律的理解： ③在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应，如物体做机械运动具有机械能，分子运动具有内能等。 ④某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。 ③某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。 三、能量守恒定律 ●能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一物体，在转化和转移的过程中其总量不变 ●第一类永动机不可制成是因为其违背了热力学第一定律 ●第二类永动机不可制成是因为其违背热力学第二定律（一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行）●熵：是分子热运动无序程度的定量量度，在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的。 ①熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样。 ②系统越混乱，无序程度越大，就称这个系统的熵越大。系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少，也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行。从熵的意义上说，系统自发变化时总是向着熵增加的方向发展，不会使熵减少。 ③任何宏观物质系统都有一定量的熵，熵也可以在系统的变化过程中产生或传递。 ④一切自然过程的发生和发展中，总熵必定不会减少。 ●能量耗散：系统的内能流散到周围的环境中，没有办法把这些内能收集起来加以利用。 四、能源和可持续发展： ●能源的重要性：能源是社会存在与发展永远不可或缺的必需品，是国民经济运动的物质基础，它与材料、信息构成现代社会的三大支柱。 ●化石能源：人们把煤、石油叫做化石能源。 ●生物质能：生物质能指绿色植物通过光合作用储存在生物体内的太阳能，储存形式是生物分子的化学能。 ●风能：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，我国新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电。
热工基础（第三版） 张学学 复习提纲
第一章基本概念 1.工程热力学是从工程角度研究热能与机械能相互转换的科学。 2.传热学是研究热量传递过程规律的一门科学。 3.工质：热能转换为机械能的媒介物。 4.热力系统：选取一定的工质或空间作为研究对象，称之为热力系统，简称系统。 5.外界（或环境）：系统之外的一切物体。 6.边界：系统与外界的分界面。 7.系统的分类： （1）闭口系统：与外界无物质交换的系统。 （2）开口系统：与外界有物质交换的系统。 （3）绝热系统：与外界之间没有热量交换的系统。 （4）孤立系统：与外界没有任何的物质交换和能量（功、热量）交换。 8.热力状态：系统中的工质在某一瞬间呈现的各种宏观物理状况的总和称为工质（或系统）的热力状态，简称为状态。 9.平衡状态：在不受外界影响的条件下，工质（或系统）的状态参数不随时间而变化的状态。 10.基本状态参数：压力、温度、比容、热力学能（内能）、焓、熵。 11.表压力Pg、真空度Pv、绝对压力P P g = P - P b P v = P b - P 12.热力学第零定律(热平衡定律) ：如果两个物体中的每一个都
分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡。 13.热力过程：系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。 14.准平衡过程（准静态过程）：热力过程中，系统所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过程。 15.可逆过程：一个热力过程完成后，如系统和外界能恢复到各自的初态而不留下任何变化，则这样热力过程称为可逆过程。 16.不可逆因素：摩擦、温差传热、自由膨胀、不同工质混合。 17.可逆过程是无耗散效应的准静态过程。 18.系统对外界做功的值为正，外界对系统做功的值为负。 系统吸收热量时热量值为正，系统放出热量时热量值为负。 第二章热力学第一定律 1.热力学第一定律：在热能与其它形式能的互相转换过程中，能的总量始终不变。 也可表述为：不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造成功的。进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能量的变化。 2.闭口系统的热力学第一定律表达式：Q =?U +W 微元过程：δQ =dU +δW 可逆过程：Q =?U +? 1pdV δQ =dU +pdV 2
《热力学基础》计算题答案全 1. 温度为25℃、压强为1 atm 的1 mol 刚性双原子分子理想气体，经等温过程体积膨胀 至原来的3倍． (普适气体常量R ＝8.31 1 --??K mol J 1，ln 3=1.0986) (1) 计算这个过程中气体对外所作的功． (2) 假若气体经绝热过程体积膨胀为原来的3倍，那么气体对外作的功又是多少？ 解：(1) 等温过程气体对外作功为 ??=== 0000333ln d d V V V V RT V V RT V p W 2分 =8.31×298×1.0986 J = 2.72×103 J 2分 (2) 绝热过程气体对外作功为 V V V p V p W V V V V d d 000 03003??-== γγ RT V p 1 311131001--=--=--γγγ γ 2分 ＝2.20×103 J 2分 2.一定量的单原子分子理想气体，从初态A 出发，沿图示直线过程变到另一状态B ，又经过等容、 等压两过程回到状态A ． (1) 求A →B ，B →C ，C →A 各过程中系统对外所作的功W ，内能的增量?E 以及所吸收的热量Q ． (2) 整个循环过程中系统对外所作的总功以及从外界吸收的总热量(过程吸热的代数和)． 解：(1) A →B ： ))((211A B A B V V p p W -+==200 J ． ΔE 1=ν C V (T B －T A )=3(p B V B －p A V A ) /2=750 J Q =W 1+ΔE 1＝950 J ． 3分 B → C ： W 2 =0 ΔE 2 =ν C V (T C －T B )=3( p C V C －p B V B ) /2 =－600 J ． Q 2 =W 2+ΔE 2＝－600 J ． 2分 C →A ： W 3 = p A (V A －V C )=－100 J ． 150)(2 3)(3-=-=-=?C C A A C A V V p V p T T C E ν J ． Q 3 =W 3+ΔE 3＝－250 J 3分 (2) W = W 1 +W 2 +W 3=100 J ． Q = Q 1 +Q 2 +Q 3 =100 J 2分 1 2 3 1 2 O V (10-3 m 3) 5 A B C
概 念 部 分 汇 总 复 习 第一章 热力学的基本规律 1、热力学与统计物理学所研究的对象：由大量微观粒子组成的宏观物质系统 其中所要研究的系统可分为三类 孤立系：与其他物体既没有物质交换也没有能量交换的系统； 闭系：与外界有能量交换但没有物质交换的系统； 开系：与外界既有能量交换又有物质交换的系统。 2、热力学系统平衡状态的四种参量：几何参量、力学参量、化学参量和电磁参量。 3、一个物理性质均匀的热力学系统称为一个相；根据相的数量，可以分为单相系和复相系。 4、热平衡定律(热力学第零定律）：如果两个物体各自与第三个物体达到热平衡，它们彼此也处在热平衡. 5、符合玻意耳定律、阿氏定律和理想气体温标的气体称为理想气体。 6、范德瓦尔斯方程是考虑了气体分子之间的相互作用力（排斥力和吸引力）,对理想气体状态方程作了修正之后的实际气体的物态方程。 7、准静态过程：过程由无限靠近的平衡态组成，过程进行的每一步，系统都处于平衡态。 8、准静态过程外界对气体所作的功：，外界对气体所作的功是个过程量。 9、绝热过程：系统状态的变化完全是机械作用或电磁作用的结果而没有受到其他影响。绝热过程中内能U 是一个态函数： A B U U W -= 10、热力学第一定律（即能量守恒定律）表述：任何形式的能量，既不能消灭也不能创造，只能从一种形 式转换成另一种形式，在转换过程中能量的总量保持恒定；热力学表达式：Q W U U A B +=-；微分 形式：W Q U d d d += 11、态函数焓H ：pV U H +=，等压过程：V p U H ?+?=?，与热力学第一定律的公式一比较 即得：等压过程系统从外界吸收的热量等于态函数焓的增加量。 12、焦耳定律：气体的内能只是温度的函数，与体积无关，即)(T U U =。 13．定压热容比：p p T H C ??? ????=；定容热容比：V V T U C ??? ????= 公式：nR C C V p =- 14、绝热过程的状态方程： const =γpV ；const =γ TV ； const 1 =-γ γT p 。 15、卡诺循环过程由两个等温过程和两个绝热过程组成。正循环为卡诺热机，效率2 11T T - =η，逆循环 为卡诺制冷机，效率为2 11T T T -= η （只能用于卡诺热机）。 16、热力学第二定律：克劳修斯表述：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（表明热传导过程是不可逆的）； 开尔文（汤姆孙）表述：不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用的功而不引起其他变化（表明功变热的过程是不可逆的）； 另一种开氏表述：第二类永动机不可能造成的。 17、无摩擦的准静态过程是可逆过程。 18、卡诺定理：所有工作于两个一定温度T 1与T 2之间的热机，以可逆机的效率为最高。并且所有的可逆机 的效率η都相等21 1T T - =η ，与工作物质无关，只与热源温度有关。 19、热机的效率：1 21Q Q -=η，Q 1为热机从高温热源吸收的热量，Q 2 为热机在低温热源放出的热量。 20、克劳修斯等式与不等式：02 211≤+T Q T Q 。 21、可逆热力学过程0=?T dQ ，不可逆热力学过程0
《大学物理学》热力学基础 一、选择题 13-1．如图所示，bca 为理想气体的绝热过程，b 1a 和b 2a 是任意过程，则上述两过程中气体做功与吸收热量的情况是 ( ) （A ）b 1a 过程放热、作负功，b 2a 过程放热、作负功； （B ）b 1a 过程吸热、作负功，b 2a 过程放热、作负功； （C ）b 1a 过程吸热、作正功，b 2a 过程吸热、作负功； （D ）b 1a 过程放热、作正功，b 2a 过程吸热、作正功。 【提示：体积压缩，气体作负功；三个过程中a 和b 两点之间的内能变化相同，bca 线是绝热过程，既不吸热也不放热，b 1a 过程作的负功比b 2a 过程作的负功多，由Q W E =+?知b 2a 过程放热，b 1a 过程吸热】 13-2．如图，一定量的理想气体，由平衡态A 变到平衡态B ，且他们的压强相等，即A B P P =。问在状态A 和状态B 之间，气体无论经过的是什么过程，气体必然 ( ) （A ）对外作正功；（B ）内能增加； （C ）从外界吸热；（D ）向外界放热。 【提示：由于A B T T <，必有A B E E <；而功、热量是 过程量，与过程有关】 13-3．两个相同的刚性容器，一个盛有氢气，一个盛氦气(均视为刚性理想气体)，开始时它们的压强和温度都相同，现将3 J 的热量传给氦气，使之升高到一定的温度，若氢气也升高到同样的温度，则应向氢气传递热量为 ( ) （A ）6J ； （B ）3J ； （C ）5J ； （D ）10J 。 【提示：等体过程不做功，有Q E =?，而2 mol M i E R T M ?= ?，所以需传5J 】 13-4．有人想象了如图所示的四个理想气体的循环过程，则在理论上可以实现的是（ ） A （） C （） B （） D （）
热力学的基础知识
热力学的基础知识 1、水和水蒸汽有哪些基本性质？ 答：水和水蒸汽的基本物理性质有：比重、比容、汽化潜热、比热、粘度、温度、压力、焓、熵等。水的比重约等于1（t/m3、kg/dm3、g/cm3）蒸汽比容是比重的倒数，由压力与温度所决定。水的汽化潜热是指在一定压力或温度的饱和状态下，水转变成蒸汽所吸收的热量，或者蒸汽转化成水所放出的热量，单位是： KJ/Kg。水的比热是指单位质量的水每升高1℃所吸收的热量，单位是KJ/ Kg·℃，通常取4.18KJ。水蒸汽的比热概念与水相同,但不是常数，与温度、压力有关。 2、热水锅炉的出力如何表达？ 答：热水锅炉的出力有三种表达方式，即大卡/小时（Kcal/h）、吨/小时(t/h)、兆瓦（MW）。 （1）大卡/小时是公制单位中的表达方式，它表示热水锅炉每小时供出的热量。 （2）"吨"或"蒸吨"是借用蒸汽锅炉的通
俗说法，它表示热水锅炉每小时供出的热量相当于把一定质量（通常以吨表示）的水从20℃加热并全部汽化成蒸汽所吸收的热量。 （3）兆瓦(MW)是国际单位制中功率的单位，基本单位为W （1MW=106W）。正式文件中应采用这种表达方式。 三种表达方式换算关系如下： 60万大卡/小时（60×104Kcal/h）≈1蒸吨/小时〔1t/h〕≈0.7MW 3、什么是热耗指标？如何规定？ 答：一般称单位建筑面积的耗热量为热耗指标，简称热指标，单位w/m2,一般用qn表示，指每平方米供暖面积所需消耗的热量。黄河流域各种建筑物采暖热指标可参照表2-1
上表数据只是近似值，对不同建筑结构，材料、朝向、漏风量和地理位置均有不同，纬度越高的地区，热耗指标越高。 4、如何确定循环水量？如何定蒸汽量、热量和面积的关系？ 答：对于热水供热系统，循环水流量由下式计算： G=[Q/c(tg-th)]× 3600=0.86Q/(tg-th)式中：G - 计算水流量，kg/h
知识点热力学与料热力学部分
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热力学与材料热力学部分 热力学：用能量转化和守恒的观点来研究物质热运动的客观规律；以实验事实为基础，总结研究系统状态变化过程中的功能转化和热力学过程的方向性问题。 热力学研究能(energy)和能的转变(transformations)规律 材料研究的每个过程离不开热力学 1、材料服役性能 2、材料制备 3、材料微观组织 材料热力学是热力学基本原理在材料设计、制备与使用过程中的应用。 材料热力学是材料科学的重要基础之一。 材料学的核心问题是求得材料成分－组织结构－各种性能之间的关系。问题的前半部分，即材料成分－组织结构的关系要服从一个基本的科学规则，这个基本规则就是材料热力学。在材料的研究逐渐由“尝试法”走向“定量设计”的今天，材料热力学的学习尤其显得重要。 材料热力学是经典热力学和统计热力学理论在材料研究方面的应用，其目的在与揭示材料中的相和组织的形成规律。固态材料中的熔化与凝固以及各类固态相变、相平衡关系和相平衡成分的确定、结构上的物理和化学有序性以及各类晶体缺陷的形成条件等是其主要研究对象。 现代材料科学发展的主要特征之一是对材料的微观层次认识不断进步。利用场离子显微镜和高分辨电子显微镜把这一认识推进到了纳米和小于纳米的层次，已经可以直接观察到从位错形态直至原子实际排列的微观形态。这些成就可能给人们造成一种误解，以为只有在微观尺度上对材料的直接分析才是深刻把握材料组织结构形成规律的最主要内容和最主要途径；以为对那些熵、焓、自有能、活度等抽象概念不再需要更多的加以注意。其实不然，不仅热力学的主要长处在于它的抽象性和演绎性，而且现代材料科学的每一次进步和发展都一直受到经典热力学和统计热力学的支撑和帮助。材料热力学的形成和发展正是材料科学走向成熟的标志之一。工业技术的进步在拉动材料热力学的发展，而材料热力学的发展又在为下一个技术进步准备基础和条件。 材料热力学是热力学理论在材料研究、材料生产活动中的应用。因此这是一门与实践关系十分密切的科学。学习这门课程，不能满足于理解书中的内容，而应当多进行一些对实际材料问题的分析与计算，开始可以是一些简单的、甚至是别人已经解决的问题，然后由易渐难，循序渐进。通过不断的实际分析与计算，增进对热力学理论的理解，加深对热力学的兴趣，进而有自己的心得和成绩。 热力学最基本概念： 1、焓变 enthalpy
第一章 热力学基础 一、名词解释： （溶液的）活度，溶液的标准态，j i e （活度的相互作用系数），（元素的）标准溶解吉布斯自由能，理想溶液，化合物的标准摩尔生成吉布斯自由能。 二、其它 1、在热力学计算中常涉及到实际溶液中某组分的蒸汽压问题。当以纯物质为标准态时，组分的蒸汽压可表示为＿＿＿＿＿＿；当以质量1%溶液为标准态时，组分的蒸汽压可表示为＿＿＿＿＿＿；前两种标准态组分的活度之比为＿＿＿＿。 2、反应MnO(s)+C(s)=Mn(s)+CO(g)，G θ ?=268650-158.4T 1J mol -?，在标准 状态下能进行的最低温度为＿＿＿＿＿＿K 。该反应为（填“吸或放”）＿＿＿＿＿＿热反应。当T=991K ，总压为101325Pa 时，该反应＿＿＿＿＿＿(填“能或否”)向正方向进行；在991K 时，若要该反应达到化学平衡的状态，其气相总压应为＿＿＿＿＿＿Pa ；若气相的CO 分压为Pa 5102?，则开始还原温度为＿＿＿＿＿＿。 反应MnO(s)+C(s)=Mn(s)+CO(g)，1 4.158268650-?-=?mol TJ G θ,在标准状态下 能进行的最低温度为＿＿＿＿＿＿。 3、理想溶液是具有＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿性质的溶液；理想溶液形成时，体积变化为＿＿＿＿，焓变化为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。实际溶液与理想溶液的偏差可用＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿参数来衡量。 4．判断冶金生产中的化学反应能否向预想的方向进行，在等温、等压下用＿＿＿＿热力学函数的变化值；若该反应在绝热过程中进行，则应该用＿＿＿＿函数的变化值来判断反应进行的方向。 5．冶金生产中计算合金熔体中杂质元素的活度常选的标准态是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。对高炉铁液中[C]，当选纯物质为标准态时，其活度为＿＿＿＿，这是因为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 6．物质溶解的标准吉布斯自由能是指＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；纯物质为标准态时，标准溶解吉布斯自由能为＿＿。
统计热力学基础 一、选择题 1. 下面有关统计热力学的描述，正确的是：( ) A. 统计热力学研究的是大量分子的微观平衡体系 B. 统计热力学研究的是大量分子的宏观平衡体系 C. 统计热力学是热力学的理论基础 D. 统计热力学和热力学是相互独立互不相关的两门学科 B 2.在研究N、V、U有确定值的粒子体系的统计分布时，令∑n i = N，∑n iεi = U， 这是因为所研究的体系是：( ) A. 体系是封闭的，粒子是独立的 B 体系是孤立的，粒子是相依的 C. 体系是孤立的，粒子是独立的 D. 体系是封闭的，粒子是相依的 C 3.假定某种分子的许可能级是0、ε、2ε和3ε，简并度分别为1、1、2、3 四个这样的分子构成的定域体系，其总能量为3ε时，体系的微观状态数为：( ) A. 40 B. 24 C. 20 D. 28 A 4. 使用麦克斯韦-波尔兹曼分布定律，要求粒子数N 很大，这是因为在推出该定律时：( ) . 假定粒子是可别的 B. 应用了斯特林近似公式 C. 忽略了粒子之间的相互作用 D. 应用拉氏待定乘因子法 A 5.对于玻尔兹曼分布定律n i =(N/q)·g i·exp( -εi/kT)的说法：(1) n i是第i 能级上的粒子分布数; (2) 随着能级升高，εi 增大，n i总是减少的; (3) 它只适用于可区分的独立粒子体系; (4) 它适用于任何的大量粒子体系其中正确的是：( ) A. (1)(3) B. (3)(4) C. (1)(2) D. (2)(4) C 6.对于分布在某一能级εi上的粒子数n i，下列说法中正确是：( ) A. n i与能级的简并度无关 B. εi值越小，n i 值就越大 C. n i称为一种分布 D.任何分布的n i都可以用波尔兹曼分布公式求出 B 7. 15．在已知温度T时，某种粒子的能级εj = 2εi，简并度g i = 2g j，则εj和εi上分布的粒子数之比为：( ) A. 0.5exp(ε j/2kT) B. 2exp(- εj/2kT) C. 0.5exp( -εj/kT) D. 2exp( 2ε j/kT) C 8. I2的振动特征温度Θv= 307K，相邻两振动能级上粒子数之n(v + 1)/n(v) = 1/2的温度是：( ) A. 306 K B. 443 K C. 760 K D. 556 K B 9.下面哪组热力学性质的配分函数表达式与体系中粒子的可别与否无关：( ) A. S、G、F、C v B. U、H、P、C v C. G、F、H、U D. S、U、H、G B 10. 分子运动的振动特征温度Θv 是物质的重要性质之一，下列正确的说法是：( ) A.Θv越高，表示温度越高 B.Θv越高，表示分子振动能越小 C. Θv越高，表示分子处于激发态的百分数越小 D. Θv越高，表示分子处于基态的百分数越小 C 11.下列几种运动中哪些运动对热力学函数G与A贡献是不同的：( ) A. 转动运动 B. 电子运动 C. 振动运动 D. 平动运动 D 12.三维平动子的平动能为εt = 7h2 /(4mV2/3 )，能级的简并度为：( )
《热力学基础》计算题答案全 1.温度为25℃、压强为1 atm 的1 mol 刚性双原子分子理想气体，经等温过程体积膨胀至原来的3倍．(普适气体常量R ＝8.31 1 --??K mol J 1 ，ln3=1.0986) (1) 计算这个过程中气体对外所作的功． (2) 假若气体经绝热过程体积膨胀为原来的3倍，那么气体对外作的功又是多少？ 解：(1) 等温过程气体对外作功为 ? ?== = 333ln d d V V V V RT V V RT V p W 2分 =8.31×298×1.0986 J =2.72×103 J 2分 (2) 绝热过程气体对外作功为 V V V p V p W V V V V d d 0 300 3??-== γ γ RT V p 1 311131001--=--=--γγγγ 2分 ＝2.20×103 J 2分 2.一定量的单原子分子理想气体，从初态A 出发， 沿图示直线过程变到另一状态B ，又经过等容、等压两过程回到状态A ． (1) 求A →B ，B →C ，C →A 各过程中系统对外所作的功W ，内能的增量?E 以及所吸收的热 量Q ． (2) 整个循环过程中系统对外所作的总功以及从外界吸收的总热量(过程吸热的代数和)． 解：(1) A →B ：))((2 11A B A B V V p p W -+==200 J ． ΔE 1=ν C V (T B －T A )=3(p B V B －p A V A ) /2=750 J Q =W 1+ΔE 1＝950 J ． 3分 B → C ：W 2 =0 ΔE 2 =ν C V (T C －T B )=3( p C V C －p B V B ) /2 =－600 J ． Q 2 =W 2+ΔE 2＝－600 J ． 2分 C →A ：W 3 = p A (V A －V C )=－100 J ． 150)(2 3 )(3-=-= -=?C C A A C A V V p V p T T C E ν J ． Q 3 =W 3+ΔE 3＝－250 J 3分 (2) W = W 1+W 2+W 3=100 J ． Q = Q 1+Q 2+Q 3 =100 J 2分 3.0.02 kg 的氦气(视为理想气体)，温度由17℃升为27℃．若在升温过程中，(1) 体积保持不变；(2) 压强保持不变；(3) 不与外界交换热量；试分别求出气体内能的改变、吸收的热量、外界对气体所作的功． (普适气体常量R =8.31 1 1 K mol J --?) 解：氦气为单原子分子理想气体，3=i 1 2 3 1 2 O V (10-3 m 3 ) 5 A B C
第一章 热力学基础 一、名词解释： （溶液的）活度，溶液的标准态，j i e （活度的相互作用系数），（元素的）标准溶解吉布斯自由能，理想溶液，化合物的标准摩尔生成吉布斯自由能。 二、其它 1、在热力学计算中常涉及到实际溶液中某组分的蒸汽压问题。当以纯物质为标准态时，组分的蒸汽压可表示为＿＿＿＿＿＿；当以质量1%溶液为标准态时，组分的蒸汽压可表示为＿＿＿＿＿＿；前两种标准态组分的活度之比为＿＿＿＿。 2、反应MnO(s)+C(s)=Mn(s)+CO(g)，G θ?=268650-158.4T 1 J mol -?，在标准状态下能进行的最低温度为＿＿＿＿＿＿K 。该反应为（填“吸或放”）＿＿＿＿＿＿热反应。当T=991K ，总压为101325Pa 时，该反应＿＿＿＿＿＿(填“能或否”)向正方向进行；在991K 时，若要该反应达到化学平衡的状态，其气相总压应为＿＿＿＿＿＿Pa ；若气相的CO 分压为Pa 5102?，则开始还原温度为＿＿＿＿＿＿。 反应MnO(s)+C(s)=Mn(s)+CO(g)，14.158268650-?-=?mol TJ G θ,在标准状态下能进行的最低温度为＿＿＿＿＿＿。 3、理想溶液是具有＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿性质的溶液；理想溶液形成时，体积变化为＿＿＿＿，焓变化为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。实际溶液与理想溶液的偏差可用＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿参数来衡量。 4．判断冶金生产中的化学反应能否向预想的方向进行，在等温、等压下用＿＿＿＿热力学函数的变化值；若该反应在绝热过程中进行，则应该用＿＿＿＿函数的变化值来判断反应进行的方向。 5．冶金生产中计算合金熔体中杂质元素的活度常选的标准态是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。对高炉铁液中[C]，当选纯物质为标准态时，其活度为＿＿＿＿，这是因为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 6．物质溶解的标准吉布斯自由能是指＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；纯物质为标准态时，标准溶解吉布斯自由能为＿＿。
二、填空题 1. 封闭系统由某一始态出发，经历一循环过程，此过程的_____U ?=；_____H ?=；Q 与W 的关系是______________________，但Q 与W 的数值________________________，因为_________________________。 2. 状态函数在数学上的主要特征是________________________________。 3. 系统的宏观性质可分为___________________________________，凡与系统物质的量成正比的物理量均称为___________________________。 4. 在300K 的常压下，2mol 的某固体物质完全升华过程的体积功_________e W =。 5. 某化学反应：A(l) + 0.5B(g) → C(g)在500K 恒容条件下进行，反应进度为1mol 时放热10k J ，若反应在同样温度恒容条件下进行，反应进度为1mol 时放热_____________________。 6. 已知水在100℃的摩尔蒸发焓40.668ap m H ν?=kJ·mol -1，1mol 水蒸气在100℃、101.325kPa 条件下凝结为液体水，此过程的_______Q =；_____W =；_____U ?=；_____H ?=。 7. 一定量单原子理想气体经历某过程的()20pV ?=k J ，则此过程的_____U ?=；_____H ?=。 8. 一定量理想气体，恒压下体积工随温度的变化率____________e p W T δ? ? = ????。 9. 封闭系统过程的H U ?=?的条件：(1) 对于理想气体单纯pVT 变化过程，其条件是_____________________；(2)对于有理想气体参加的化学反应，其条件是______________________________________。 10. 压力恒定为100kPa 下的一定量单原子理想气体，其_____________p H V ???= ? ???kP a 。 11. 体积恒定为2dm 3的一定量双原子理想气体，其_______________V U p ???= ????m 3 。 12. 化学反应的标准摩尔反应焓随温度的变化率θ r m d _______d H T ?=；在一定的温度范围内标准摩尔反应焓与温 度无关的条件是__________________。 13. 系统内部及系统与环境之间，在____________________________________过程中，称为可逆过程。 14. 在一个体积恒定为2m 3 ，'0W =的绝热反应器中， 发生某化学反应使系统温度升高1200℃，压力增加300kP a ，此过程的_____U ?=；_____H ?=。 15. 在一定温度下,c f m m H H θ θ?=?石墨 ______________；2,()c m H g f m H H θθ ?=?_____________。 16. 在25℃时乙烷C 2H 6(g)的c m c m H U θθ ?-?=______________________。
热力学部分 第一章 热力学的基本规律 1、热力学与统计物理学所研究的对象：由大量微观粒子组成的宏观物质系统 其中所要研究的系统可分为三类 孤立系：与其他物体既没有物质交换也没有能量交换的系统； 闭系：与外界有能量交换但没有物质交换的系统； 开系：与外界既有能量交换又有物质交换的系统。 2、热力学系统平衡状态的四种参量：几何参量、力学参量、化学参量和电磁参量。 3、一个物理性质均匀的热力学系统称为一个相；根据相的数量，可以分为单相系和复相系。 4、热平衡定律(热力学第零定律）：如果两个物体各自与第三个物体达到热平衡，它们彼此 也处在热平衡. 5、符合玻意耳定律、阿氏定律和理想气体温标的气体称为理想气体。 6、范德瓦尔斯方程是考虑了气体分子之间的相互作用力（排斥力和吸引力）,对理想气体状 态方程作了修正之后的实际气体的物态方程。 7、准静态过程：过程由无限靠近的平衡态组成，过程进行的每一步，系统都处于平衡态。 8、准静态过程外界对气体所作的功：，外界对气体所作的功是个过程量。 9、绝热过程：系统状态的变化完全是机械作用或电磁作用的结果而没有受到其他影响。绝 热过程中内能U 是一个态函数：A B U U W -= 10、热力学第一定律（即能量守恒定律）表述：任何形式的能量，既不能消灭也不能创造， 只能从一种形式转换成另一种形式，在转换过程中能量的总量保持恒定；热力学表达式： Q W U U A B +=-；微分形式：W Q U d d d += 11、态函数焓H ：pV U H +=，等压过程：V p U H ?+?=?，与热力学第一定律的公 式一比较即得：等压过程系统从外界吸收的热量等于态函数焓的增加量。 12、焦耳定律：气体的内能只是温度的函数，与体积无关，即)(T U U =。 13．定压热容比：p p T H C ??? ????=；定容热容比：V V T U C ??? ????= 迈耶公式：nR C C V p =- 14、绝热过程的状态方程：const =γpV ；const =γ TV ；const 1 =-γγT p 。 15、卡诺循环过程由两个等温过程和两个绝热过程组成。正循环为卡诺热机，效率 211T T -=η，逆循环为卡诺制冷机，效率为2 11T T T -=η（只能用于卡诺热机）。 16、热力学第二定律：克劳修斯表述：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（表明热传导过程是不可逆的）； 开尔文（汤姆孙）表述：不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用的功而不引起其 他变化（表明功变热的过程是不可逆的）； 另一种开氏表述：第二类永动机不可能造成的。 V p W d d -=
工程热力学复习知识点 一、知识点 基本概念的理解和应用（约占40%），基本原理的应用和热力学分析能力的考核（约占60%）。 1. 基本概念 掌握和理解：热力学系统(包括热力系，边界，工质的概念。热力系的分类：开口系，闭口系，孤立系统)。 掌握和理解：状态及平衡状态,实现平衡状态的充要条件。状态参数及其特性。制冷循环和热泵循环的概念区别。 理解并会简单计算：系统的能量，热量和功（与热力学两个定律结合）。 2. 热力学第一定律 掌握和理解：热力学第一定律的实质。 理解并会应用基本公式计算：热力学第一定律的基本表达式。闭口系能量方程。热力学第一定律应用于开口热力系的一般表达式。稳态稳流的能量方程。 理解并掌握：焓、技术功及几种功的关系（包括体积变化功、流动功、轴功、技术功）。 3. 热力学第二定律 掌握和理解：可逆过程与不可逆过程(包括可逆过程的热量和功的计算)。 掌握和理解：热力学第二定律及其表述（克劳修斯表述，开尔文
表述等）。卡诺循环和卡诺定理。 掌握和理解：熵（熵参数的引入，克劳修斯不等式，熵的状态参数特性）。 理解并会分析：熵产原理与孤立系熵增原理，以及它们的数学表达式。热力系的熵方程（闭口系熵方程，开口系熵方程）。温-熵图的分析及应用。 理解并会计算：学会应用热力学第二定律各类数学表达式来判定热力过程的不可逆性。 4. 理想气体的热力性质 熟悉和了解：理想气体模型。 理解并掌握：理想气体状态方程及通用气体常数。理想气体的比热。 理解并会计算：理想气体的内能、焓、熵及其计算。理想气体可逆过程中，定容过程，定压过程，定温过程和定熵过程的过程特点，过程功，技术功和热量计算。 5. 实际气体及蒸气的热力性质及流动问题 理解并掌握：蒸汽的热力性质（包括有关蒸汽的各种术语及其意义。例如：汽化、凝结、饱和状态、饱和蒸汽、饱和温度、饱和压力、三相点、临界点、汽化潜热等）。蒸汽的定压发生过程（包括其在p-v和T-s图上的一点、二线、三区和五态）。 理解并掌握：绝热节流的现象及特点 6. 蒸汽动力循环
热力学基础知识和物态变化（2课时） 教学目标： 掌握熔解与凝固，汽化与液化的特点 掌握热力学的两个基本定律 教学重难点： 熔解与凝固，汽化与液化的特点 热力学的两个基本定律 教学方法： 讲授法练习法 一、复习提问 1．标准大气压与真空度和表压力的关系？ 2．物质存在的形态有哪几种？ 二、讲授内容 基础知识——热力学基础知识（续） 物态变化：当温度变化时，物质状态的变化。 （四）、熔解与凝固 熔解：物质由固态变液态。其过程要不断吸热，而温度保持不变。 凝固：物质由液态变固态。其过程要不断放热，而温度保持不变。 提问：试举出固液态变化过程吸、放热的例子。落雪不冷溶雪冷。 （五）、汽化与液化 汽化：物质由液态变气态的现象。其过程要不断吸热，汽化方式有。
蒸发—液体表面附近的分子飞出液面，形成蒸气。蒸发时要从周围物体吸热，有致冷作用。 沸腾—对液体加热，液体温度升到某一温度时，液体中小气泡吸热，气泡增大上浮，到达液面时破裂，放出气泡中的蒸气。其过程要吸热但温度不变。 提问：蒸发与沸腾的异同 相同处—都是汽化现象，都需要吸热。 不同处—蒸发是液体表面进行的气化，沸腾是液体内部和表面同时进行的汽化；蒸发可在任可温度下进行，沸腾只在一定温度下进行；蒸发是平和的汽化，沸腾是剧烈的汽化。 汽化热：单位质量的某种液体变成同温度的气体时吸收的热量。制冷技术中，是利用制冷剂的汽化热（潜热）来制冷的。 液化：物质由气态变液态，其过程要放出热。液化方式有。 降低温度—降至足够低时，任何气体都会液化。 增大压强—各种气体降至某一温度或以下时，再增大压强才能被液化，该温度称临界温度。液化石油气是在常温下增大压强而液化。 （六）、升华与凝华 升华：物质从固态直接变成气态的现象，其过程吸热，有致冷作用，如固体二氧化碳（干冰）升华来获得低温。 凝华：物质从气态直接变成固态的现象。其过程放热，如霜就是空气中的水蒸气遇冷直接凝华成小滴和小冰晶，大量的小水滴和小冰晶形成了天空中的云。
第一次 热力学基础练习与答案 班 级 ___________________ 姓 名 ___________________ 班内序号 ___________________ 一、选择题 1. 如图所示，一定量理想气体从体积V 1，膨胀到体积V 2分别经历的过程 是：A →B 等压过程，A →C 等温过程；A →D 绝热过程，其中吸热量最 多的过程 [ ] (A) 是A →B. (B) 是A →C. (C) 是A →D. (D) 既是A →B 也是A →C , 两过程吸热一样多。 2. 有两个相同的容器，容积固定不变，一个盛有氨气，另一个盛有氢气（看 成刚性分子的理想气体），它们的压强和温度都相等，现将5J 的热量传给氢 气，使氢气温度升高，如果使氨气也升高同样的温度，则应向氨气传递热量 是： ［ ］ (A) 6 J. (B) 5 J. (C) 3 J. (D) 2 J. 3.一定量的某种理想气体起始温度为T ，体积为V ，该气体在下面循环过程中经过三个平衡过程：(1) 绝热膨胀到体积为2V ，(2)等体变化使温度恢复为T ，(3) 等温压缩到原来体积V ，则此整个循环过程中 ［ ］ (A) 气体向外界放热 (B) 气体对外界作正功 (C) 气体内能增加 (D) 气体内能减少 4. 一定量理想气体经历的循环过程用V －T 曲线表示如图．在此循 环过程中，气体从外界吸热的过程是 ［ ］ (A) A →B ． (B) B →C ． (C) C →A ． (D) B →C 和B →C ． 5. 设高温热源的热力学温度是低温热源的热力学温度的n 倍，则理想气体在 一次卡诺循环中，传给低温热源的热量是从高温热源吸取热量的 ［ ］ (A) n 倍． (B) n －1倍． (C) n 1倍． (D) n n 1 倍． 6.如图，一定量的理想气体，由平衡状态A 变到平衡状态 B (p A = p B )，则无论经过的是什么过程，系统必然 ［ ］ (A) 对外作正功． (B) 内能增加． (C) 从外界吸热． (D) 向外界放热． V