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热力学

热力学研究热量和温度的概念,以及热量和其他形式能量的相互转换。热力学的四个定律控制着这些量的行为,并提供了一个定量的描述。威廉汤姆森,1749年,创造了热力学这个术语。“热力学”一词来源于两个希腊单词“thermes”和“dynamikos”,这两个词分别意味着热和强大。

目录

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什么是热力学?

物理学中的热力学是研究热、功和温度及其与能量、辐射和物质物理性质的关系的分支。

热力学

具体地说,它解释了热能是如何转换成其他形式的能量的,以及物质是如何受到这个过程的影响的。热能是来自热的能量。这种热量是由物体内微小粒子的运动产生的。这些粒子移动得越快,产生的热量就越多。

热力学并不关心这些能量转换是如何进行的,以多快的速度进行的,而是基于一个正在发生变化的系统的初始和最终状态。还应指出的是热力学是一门宏观科学. 这意味着它处理的是体积系统,而不是物质的分子构成。

力学与热力学的区别

力学和热力学的区别是值得注意的。在力学中,我们只关注粒子或物体在力和力矩作用下的运动。另一方面,热力学与整个系统的运动无关。它只与身体内部的宏观状态有关。

热力学时间轴

热力学时间轴

热力学的不同分支

热力学分为以下四个分支:

  • 经典热力学
  • 统计热力学
  • 化学热力学
  • 平衡热力学

 

经典热力学

在经典热力学中,物质的行为是用宏观的方法来分析的。温度和压力等单位被考虑在内,这有助于个人计算其他性质,并预测正在进行过程中的物质的特性。

统计热力学

在统计热力学中,每一个分子都受到关注,即每一个分子的性质和它们相互作用的方式被考虑来描述一组分子的行为。

化学热力学

化学热力学是研究在化学反应和状态变化中功和热是如何相互联系的。

平衡热力学

平衡热力学是研究能量和物质在接近平衡状态时的转换。

热力学基本概念-热力学术语

热力学有它自己独特的词汇。对基本概念的良好理解形成了对热力学中讨论的各种主题的正确理解,以防止可能的误解。

热力学系统

热力系统

系统

热力学系统是物质的一个特定部分,有一个明确的边界,我们的注意力集中在它上面。系统边界可以是实的或虚的、固定的或可变形的。
系统有三种类型:

  • 孤立系统–一个孤立的系统不能与周围环境交换能量和质量。宇宙被认为是一个孤立的系统。
  • 封闭系统–穿过封闭系统的边界,能量传递发生,但质量传递没有发生。制冷机、压缩气体在活塞缸总成中都是封闭系统的例子。
  • 开放系统–在开放系统中,质量和能量都可以在系统和周围环境之间传递。蒸汽轮机是开放系统的一个例子。
热力学系统的相互作用
系统类型
质量流
工作
孤立系统

开放系统

封闭系统

周围的

系统外对系统行为有直接影响的一切都被称为环境。

热力学过程

当系统内的能量变化与压力、体积和内能的变化有关时,系统就会经历一个热力学过程。

有四种类型的热力学过程有其独特的性质,它们是:

  • 绝热过程–没有热量进入或流出系统的过程。
  • 等容过程–体积没有变化而系统不工作的过程。
  • 等压法–压力不发生变化的过程。
  • 等温过程–温度不发生变化的过程。

阅读更多: 热力学过程

热力循环是一个过程或过程的组合,使系统的初始状态和最终状态相同。热力学循环也被称为循环操作或循环过程。

热力学性质

热力学性质被定义为一个系统的特征特征,能够描述系统的状态。热力学性质可能是广泛的加强的.

  • 密集属性是不依赖于物质数量的属性。压力和温度是强度特性。
  • 在广泛性质的情况下,它们的值取决于系统的质量。体积、能量和焓是广泛的性质。

什么是焓?

焓是热力学系统中能量的量度。焓值等于系统的总热量,等于系统的内能加上体积和压力的乘积。

从数学上讲,焓H等于系统的内能E和压力P和体积V的乘积之和。

H=E+PV

什么是熵?

熵是一个热力学量,其值取决于系统的物理状态或条件。换言之,它是用来测量系统随机性或无序性的热力学函数。

例如,固体的熵,其中粒子不能自由移动,比气体的熵小,在气体中粒子会充满容器。

热力学势

热力学势是系统中储存能量的定量量度。势能测量系统从初始状态到最终状态的能量变化。根据系统的约束条件,如温度和压力,使用不同的电位。

热力学势的不同形式及其公式如下表所示:

内能 \(U=\inttds\;-\;PdV+\sum{i}\mu{i}dN{i}\)
亥姆霍兹自由能 F=U–TS
H=U+PV
吉布斯自由能 G=U+PV-TS

热力学解题

热力学解题

观看视频了解7个最大的JEE热力学问题。

状态与平衡

在给定的状态下,系统的所有属性都有固定的值。因此,如果一个属性的值发生变化,系统的状态也会变为另一个。在一个处于平衡状态的系统中,当它与周围环境隔绝时,它的属性值不会发生变化。

  • 当整个系统的温度相同时,我们认为系统处于热平衡.
  • 当系统任何一点的压力没有变化时,我们认为系统处于机械平衡.
  • 当一个系统的化学成分不随时间变化时,我们认为该系统处于化学平衡.
  • 相平衡在两相系统中,每相的质量达到平衡水平。

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

你可能还想看看下面给出的这些主题!

热力学定律

热力学定律定义了基本的物理量,如能量、温度和熵,这些物理量表征了处于热平衡状态的热力学系统。这些热力学定律代表了这些量在各种情况下的行为。

热力学有多少定律?

热力学有四条定律,如下所示:

  • 热力学第零定律
  • 热力学第一定律
  • 热力学第二定律
  • 热力学第三定律

在接下来的几节中,我们将详细讨论每一个热力学定律。

热力学第零定律

热力学第零定律指出,如果两个物体分别与另一个单独的第三个物体保持平衡,那么前两个物体也彼此处于热平衡状态。

基本上,这意味着,如果系统A与系统C处于热平衡状态,系统B也与系统C处于平衡状态,那么系统A和系统B之间也处于热平衡状态。

第零定律的一个例子

两个测量温度为100°C的皮碗相互平衡

考虑两个装有开水的杯子A和B。当温度计放在杯子a中时,它被水加热直到读数为100°C。当温度计读数为100°C时,我们说温度计与杯子a处于平衡状态。现在,当我们将温度计移到杯子B上读取温度时,它继续读数为100°C。温度计也与杯B处于平衡状态。根据热力学第零定律,我们可以得出结论:A杯和B杯彼此处于平衡状态。

热力学第零定律使我们能够使用温度计来比较我们喜欢的任何两个物体的温度。

热力学第一定律

热力学第一定律,也被称为能量守恒定律,指出能量既不能被创造也不能被摧毁,但它可以从一种形式变为另一种形式。

热力学第一定律看似抽象,但如果我们看看热力学第一定律的几个例子,我们会得到一个更清晰的概念。

热力学第一定律示例:

  • 植物通过光合作用把阳光的辐射能转化为化学能。当我们游泳、散步、呼吸和翻阅这一页时,我们吃植物并将化学能转化为动能。
  • 然而,似乎是电能转换成电能。

阅读更多: 热力学第一定律

 

热力学第二定律

热力学第二定律指出,孤立系统的熵总是增加的。任何孤立系统都会自发地向热平衡演化——系统的最大熵状态。

宇宙的熵只增不减。许多人轻视这一说法,认为这是理所当然的,但它有着广泛的影响和后果。

热力学第二定律的可视化

如果一个房间不打扫干净,它总会随着时间的推移变得更加凌乱。当房间被打扫时,它的熵会减少,但是打扫房间的努力导致房间外的熵增加,超过了损失的熵。

阅读更多: 热力学第二定律

下面的视频将深入探讨热力学第二定律,并帮助人们更深入地了解熵是如何解释无序的。

 

热力学第三定律

热力学第三定律指出,当温度接近绝对零度时,系统的熵接近一个常数。

纯晶体物质(完全有序)在绝对零温度下的熵为零。如果完美晶体只有一种能量最小的状态,这一说法成立。

热力学第三定律示例:

让我们以蒸汽为例,逐步理解热力学第三定律:

  1. 其中的分子自由运动,并具有高熵。
  2. 如果把温度降低到100℃以下,蒸汽就会转化为水,分子的运动受到限制,从而降低水的熵。
  3. 当水进一步冷却到0℃以下时,它就变成了固体冰。在这种状态下,分子的运动受到进一步的限制,系统的熵降低得更多。
  4. 随着冰的温度进一步降低,冰中分子的运动受到进一步的限制,物质的熵继续减小。
  5. 当冰冷却到绝对零度时,理想情况下,熵应该是零。但实际上,任何物质都不可能冷却到零。

阅读更多:热力学第三定律

日常生活中的热力学实例

无论我们坐在空调房里,还是坐在任何交通工具上,热力学的应用无处不在。我们在下面列出了其中一些应用程序:

  • 不同类型的交通工具,如飞机、卡车和轮船都是根据热力学第二定律工作的。
  • 三种传热模式都是以热力学为基础的。传热概念广泛应用于散热器、加热器和冷却器。
  • 热力学涉及到不同类型的电厂的研究,如核电站、火电厂。

热力学-总结和概述

简单地说,热力学处理的是能量从一种形式转移到另一种形式.
热力学定律是:

  • 热力学第一定律:能量既不能被创造也不能被摧毁,它只能从一种形式转移到另一种形式。
  • 热力学第二定律:任何孤立系统的熵总是增加的。
  • 热力学第三定律:当温度接近绝对零度时,系统的熵接近一个常数。
  • 热力学第零定律:如果两个热力学系统分别与第三个系统处于热平衡状态,则它们彼此处于热平衡状态。

是一个系统中原子可能排列的数量的量度。
是热力学系统中能量的量度。

常见问题解答

谁是热力学之父?

尼古拉斯·莱昂纳德·萨迪·卡诺经常被形容为“热力学之父”

热力学的重要性是什么?

热力学对于化学和物理学都很重要,因为它涉及能量的研究,不同形式的能量转换以及能量做功的能力。

热力学在日常生活中是如何使用的?

热力学在我们的日常生活中有几种应用:

  • 各类车辆
  • 冰箱和冷冻柜
  • 蒸发器
  • 散热器
  • 空调系统
  • 热泵

热力学定律的重要性是什么?

热力学定律定义了物理量,即温度、能量和熵,这些物理量表征了处于热平衡状态的热力学系统。

什么是消极工作的例子?

当你在地板上推动一个物体时,运动摩擦所做的功是负的。

能量会被破坏或丢失吗?

能量既不能被创造也不能被摧毁,它只能从一种形式转移到另一种形式。

风扇把电能转换成机械能——这是用哪条定律解释的?

这是由热力学第一定律解释的。

人体遵守热力学定律吗?

是的,人体遵循热力学定律。当你和其他人在一个拥挤的房间里时,你开始感到温暖,开始出汗。这是身体自我冷却的方式。热量从身体转移到身体。当汗液吸收更多的热量时,它会从你的身体蒸发,变得更加混乱,并将热量传递到空气中,从而使房间的空气温度升高。很多流汗的人在拥挤的房间里“封闭系统”,会很快使这个地方变热。这是热力学的第一定律和第二定律:没有热量损失;它只是转移,并以最大熵接近平衡。

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6评论

  1. 很好的解释

  2. 很好地解释了好的视频和例子。

  3. 关于热力学的视频很有帮助。谢谢你

  4. 解释得好,先生

  5. 很好的解释

  6. 阿迪蒂·尚迪利亚

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