4.8•+11k评级
告诉你的朋友你正在学习物理学中的“热力学”，这一定很“酷”，即使你可能对它的内容几乎一无所知。“热水瓶”这个词在希腊语中译为“热的”，由于我们的大多数物理学术语都来自希腊语，因此“动力学”一词的存在也应归功于希腊人;它的意思是“力量”或“力量”。现在你可以向你的朋友吹嘘热力学是…“热部队? ?”答案要比这复杂一点，这就是“热”的由来。热力学是研究热、温度、功以及它们与物质的其他物理性质(如内能、熵、压强等)之间的关系的学科。这些量中的任何一个的变化通常会导致其他量的变化，这就把“动力学”放在了“热力学”中。因为热力学对冷却的研究和对加热的研究一样多，所以看起来它还是很“酷”的。在这篇文章中，我们将学习热力学的基础知识，以及它如何应用于日常生活。
为热力学提供一个确切的定义是相当困难的，因为它是许多相互关联的量的研究，但一个简单的定义将是一个类似于我们上面提到的。
热力学是物理学的一个分支，它研究热、温度、功以及这些量之间的关系以及与物质的其他物理性质之间的关系。
我们通常考虑气体形式的物质，更具体地说，理想气体，但热力学适用于物质的所有相。如果我们测量描述物体/物质在特定时刻的每一个变量，例如温度、压力、能量等，那么我们就可以说该物体处于特定状态状态．如果这些量中的任何一个改变了，物质的状态也会改变，这被称为a热力学过程．在这种情况下，物质也可以被称为系统，这些描述状态的量被称为状态函数或状态变量。
我们在这个话题上的重点将是四个法则中的一个;热力学第一定律。简单地说，热力学第一定律是能量守恒定律的一种表述。能量既不能创造也不能消灭，它只能从一种形式转化为另一种形式。
的热力学第一定律说明任何热力学系统的热力学能的增加等于系统所吸收的热能和对系统所做的功的和。
内能\(U\)和热能\(Q\)的概念将在后续文章中详细讨论。数学上，第一定律可以表示为\[\盒装{\ U=Q+W，}\]，其中\(W\)是对系统做的功。当能量离开系统而不是进入系统时，肯定会有一些混乱，所以我们也可以采用下面的符号约定，使事情更简单:
\(Q>0:\)热能被添加到系统中。
\(Q<0:\)热能从系统中移除。
\(W>0:\)对系统做了功。
\(W<0:\)功由系统完成。
符号约定在表示能量离开系统的量的值上加一个负号。如果能量进入系统，数值为正。做功的值为正值意味着功是由外力做的在系统和它的热力学能增加．
举个例子，想象一种气体被气缸中可移动的活塞困住。如果气体被加热并膨胀，它就会对活塞施加压力，使其移动。它从加热中获得热能\(Q>0\)，但通过对活塞做功\(W<0\)而损失能量\(Delta U\)，气体内能的变化可以用第一定律\[\Delta U=Q+W]计算。下面的图1显示了这个场景的简单说明。
引入气体的所有热能不一定都被用来对活塞做功，因此热力学能可能会发生变化。
在某些时候，你可能听说过“熵”这个词，也听说过它被描述为热力学系统无序或随机性的度量。这是相当不科学的，所以我们需要一个更确切的熵的定义。
的熵热力学系统的能量是指单位温度下不能用来做功的能量。
为了让这个更贴切，想象一下你在地面上举着一个鸡蛋。它从你的手中滑落，尽管你拼命地想抓住它，它还是掉到地板上摔碎了。蛋黄和蛋壳散落一地。如果你认为鸡蛋是在一个封闭系统中，它通过转换初始引力势能而获得的动能被转换成热量、噪声等。这些形式的能量不能用来做有用的功，熵增加了，即使能量本身是守恒的。熵\(S\)是以国际单列制单位\(\text{焦耳每开尔文，}\)\(\ mathm {J\，K^{-1}}.\)
封闭系统中不可逆过程的熵总是增大的。封闭系统中可逆过程的熵保持不变。这就引出了热力学第二定律。
的热力学第二定律说明任何封闭系统的熵永远不会减少;它只能保持不变或增加。
这意味着宇宙中的总熵一直在增加!许多物理学家认为，宇宙最终会陷入热死，在热死中，将没有剩余的能量来做有用的功，也就是说，熵将不再增加。
一个过程通常会使一个热力学系统在状态之间发生变化，也就是说，所做的功或热能的传递会改变该系统的体积、压力、熵等。热力学中的循环是一组过程，这些过程都是不同的，它们联系在一起，最终使系统恢复到原始状态。有不同类型的过程可以一起使用来创建热力学过程。就不详细介绍每个流程了，以下是一些流程:
下面我们来看一个例子，它展示了热力学系统的压强和体积之间的关系。
三个过程;\(\text{AB, BC}\)和\(\text{CA}\)在下面的图2中表示为某些热力学系统的压力与体积的曲线。这热力学图被称为PV图，因为它涉及压力\(P\)和体积\(v \)。
图2 -热力学循环的PV图显示了三个改变系统状态的过程，从a到B再到C，然后回到a，因为系统返回到原始状态，所以称为循环。
等容过程\(\text{AB}\)使系统在恒定体积下从状态\(\text{A}\)变为状态\(\text{B}.\)然后在恒定压力下发生等压过程\(\text{BC}\)将系统从状态\(\text{B}\)变为状态\(\text{C}.\)最后，一些绝热过程\(\text{C} \)将系统从状态\(\text{C}，\)恢复到原始状态\(\text{A}.\)这组过程最终使系统恢复到原始状态。所以它们代表了一个热力学循环。
我们已经看到了压强除以体积的二维图，得到了PV图，但是我们也可以在三维坐标系中画出压强，体积和温度来解释这三个热力学变量之间的关系;我们称之为PVT图。这超出了本课程的范围，但重要的是要注意，PVT图提供了比PV图更多的信息。下面的图3显示了冻结时膨胀的物质(如水)的PVT图。
现在，我们已经看到了热力学主题的简要概述，我们可以测试我们对迄今为止所涉及的内容的理解。
问:一个系统正在经历一个热力学过程，在这个过程中\(250\，\ mathm {J}\)的热能进入系统加热时。该系统做\(350\，\math {J}\)对环境的功。计算系统热力学能的变化。
答:热能进入这个系统，这意味着\(Q>0\)，因为它正在获得能量。然后，系统以做功的形式损失能量，\(W<0.\)我们可以使用热力学第一定律来找出系统在这个过程中热力学能的变化\(\ U\)。\[开始\{对齐}\δu = Q + W \ \ [4 pt] & = + 250 \ \ mathrm {J} + (-350 \ \ mathrm {J}) \ \ [4 pt] & = -100 \ \ mathrm {J}。\end{align}\]这里的负号表示系统的内能减少通过\(100\，\math {J}.\)它失去的能量大于它获得的能量。
现在让我们看一个包含p - v图的例子。
问题:固定质量的理想气体在恒定体积为(3.0\ * 10^{-4}\，\ mathm {m^3}.\)的情况下经历了等体积过程。在这个过程中，气体的压力不断增大，并且没有工作是在这个过程中通过气体或气体完成的。\(600\，\mathrm{J}\)的热能在\(\text{AB}.\)过程中进入气体，计算气体在此过程中内能的变化。该过程的PV图如下图4所示。
图4 -本例中理想气体等容过程的PV图
答案:气体不做功，也没有对它做功，因为它的体积保持不变，\ [W=0\，\ mathm {J。\(600 \，\mathrm{J}\)的热能进入气体，因此我们有\(Q=600\，\mathrm{J}.\)
应用热力学第一定律，\ [\begin{align} \Delta U&=Q+W\\[4 pt]&=600\，\mathrm{J}+0\\[4 pt]&=600\，\mathrm{J}。\end{align}\]内能变化为正，这意味着气体的内能增加了\(600\，\ mathm {J}.\)
热力学最常见的应用之一存在于发电厂。核能、煤炭甚至地热发电厂都使用不同的方法来加热水。当加热时，液态的水膨胀并变成蒸汽。它的体积增大，因此能够在发电的涡轮机上做功。
热力学的另一个应用是在制冷和空调中，通过控制封闭环境的内能来控制封闭环境的温度。很明显，热力学就发生在我们周围，它的应用不胜枚举。
热力学系统的熵是单位温度下不能用来做功的能量。
问表示热能。
热力学是物理学的一个分支，它研究热、温度、功以及这些量之间的关系以及与物质的其他物理性质之间的关系。
热力学有四个定律。
H表示热力学中的比焓。
问题
下面的PV图代表了三个过程，\(\text{AB, BC}\)和\(\text{CA}.\)这些过程是否代表一个热力学循环?
显示答案
回答
是的。
显示的问题
问题
下图中的\(\text{AB}\)过程，是一个将系统从状态\(\text{a}\)转变为状态\(\text{B}.\)的热力学过程。\(\text{AB}?\)
显示答案
回答
等容过程。
显示的问题
问题
下图中的\(\text{AB}\)过程，是一个将系统从状态\(\text{a}\)转变为状态\(\text{B}.\)的热力学过程。\(\text{AB}?\)
显示答案
回答
等压过程。
显示的问题
用个人计划准时做好充分准备。
用游戏化的测验来测试你的知识。
在创纪录的时间内创建并找到抽认卡。
创造美丽的音符比以往任何时候都快。
把你所有的学习材料放在一个地方。
上传无限的文档并在线保存。
明确自己的学习优势和劣势。
设定个人学习目标，并通过实现目标获得积分。
不要再拖延学习提醒了。
在学习的过程中获得积分，解锁徽章和升级。
完全自动地在笔记中创建抽认卡。
使用我们的模板创建最漂亮的学习材料。
报名做标记和笔记。100%免费。
