【 – 小学作文】
第一篇:《热力学文章》
热力学一般关系式及其应用
一． 热力学一般关系式
热力学一般关系式是根据热力学第一定律、热力学第二定律以及某些状态参数的定义式而导得的一些微分方程式。它们以微分的形式来表达各种热力学参数之间的关系，故也称热力学微分方程式．由于热力学一般关系式是从热力学的基本定律导得的．因此，具有普遍适用氏不仅适用于理想气体，也适用于实际气体，甚至还适用于固体和液体．
1）．闭口系统的四个基本关系式
闭口系统热力学第一定律表达式为Q=dU+W
对简单可压缩系统，当过程为可逆时，则上式变成Q=dU+pdV
根据热力学第二定律，对可逆过程则Q=TdS
根据上面的式子，再加上焓，自由能，自由焓的定义，可以得到简单可压缩系统状态参数间的四个基本关系式，如下：
dU=TdS-pdV
dH=Tds+Vdp
dF=-SdT-pdV
dG=-SdT+Vdp
这些式子可以用于闭口系统平衡态之间的如何热力工程，包括可逆过程和不可逆过程。虽然推导的过程中用到了不可逆过程的关系式Q=TdS和W=pdV,但是应指出：一旦上述参数间的关系建立，它便纯粹是在平衡态下各参数之间的关系式了。如果系统从一个平衡态转化到另一个平衡态，不论经历可你过程还是不可逆过程，只要初、终态相同，则状态参数之间的关系也应是相同的，这就是状态参数，即点函数的特性。
应用热力学一般关系式时，可以根据某些容易测定的某些偏导数及实验数据，确定内能、焓、熵以及物质的状态方程式，或者用以检验已有实际气体状态方程的难确性．热力学一般关系式是研究物质热力性质不可缺少的现论基础．
2）.麦克斯韦关系式
Tp VSSV
Y pV SpS
Sp VTTV
S pV TpT
上列四个关系式称为麦克斯韦关系式，这些关系式对计算热力学状态参数有极其重要
的作用．我们知道熵、焓及内能等状态参数都是不能直接测量比但可通过实测比热及状态方程式，利用麦克斯韦关系式，方便地得出熵、焓及内能的计算式．
由吉布斯方程，利用比较系数法，还可以导出八个非常游泳的偏导数，它们分别是： uuT,p svvs
hhT,v spps
ffp,s vTTv
gpgv,s TpT
麦氏关系的重要性就在于通过它可以用少数的热力学量计算出其它的热力学量来．对这类问题的计算．最基本的是对熵S的计算．因而，较熟练地掌握熵的计算是重要的
二． 熵，焓
在热力学第一定律和热力学第二定律的基础上引进了两个基本状态参数一内能和熵． 焓、熵是热力学中重要而且难懂的概念，又是常用的而且复杂的物理量．明确这些概念，掌握它们的计算公式，对理解热力学研究问题的方法，对了解关于态函数的物理意义及其数学特征等．都有非常重要的意义。
焓和熵作为物理量只能间接测置。即在直接测得的压强p。比容v、温度T和各种热物性系数的基础上，利用焓。熵与这些量的关系式计算求得。然而基本热力学微分关系式中至少包合内能、焓、熵三个未知量中的两个．难以直接求解。为此，要运用二元函数微分性质和参数问关系．作一定的代换，从而找出纯粹用可测量表达的焓和熵的微分方程式。积分后就可得出便于使用的计算公式或制作出数据图表。
1）。熵
热力学第二定律指出一切热力过程都只能向一个方向进行。为了寻找一个判断一切热力过程进行方向的共同判据．必须探寻热力过程的共性．克劳修斯从卡诺循环的热效率与卡诺定理出发，推导出适用于任意循环(包括可逆榴环和不可逆循环)的克劳修斯积分式． 即dQ
T0
该式告诉我们，任何循环的克劳修斯积分永远小于零，极限情况下等于零，而绝不可能大于零．这就是一切循环的共同特性。所谓极限情况指的是可逆循环。对于任意可逆循环， dQ=0 T可逆
因此．被积函数必定是菜状态函数的全微分。
dQ令 ds＝,这个态因数召叫做墒。它是热力学第二定律的重要推论之一． T可逆
dQ在引如态函数熵之后，由=<0 T不可逆
可以很容易证明
dQdQdQ>或 dS> TT可逆1T不可逆不可逆122
立即可以给出热力学第二定律的数学表达式即
dSdQ
T
对于孤立系统dS0
称孤立系统熵增原理，它也常作为热力学第二定律的另一种数学夺达式。一切热力过程之所以都能用上述数学式共同描述，是因为它们之间有营内在联系．这种联系从现象上看就是任—种过程总可以设法与另——过程联系起来证明它们是统一的、等效的；从本质上看是因为它们是物质的菜一共同属性在不同情况下的不同表现形式。物质的这种共同属性．我们用态函数熵来表征它。熵也是—个实实在在的物理量。但它不象温度和压强那样可以用仪器直接测量。它的抽象性加之对它的测量要假设可逆过程间接计算来实施．大大妨碍了人们对它物理含义的理解。简单地说．熵的宏观意义是热量转化为有用功的量度。系统熵值越小，转化程度越南．熵的微观意义是微现状态混乱程度的量度．微现状态越混乱．有序程度越差，商值也就越大。反之．微现状态有序程度越好．熵值越小。微观状态自发方向只能是由整齐到混乱，由有序列无序，即只能是热力学概串(注意它不同于数学上的概率)增大的方向．低概率状态实际上是观察不到的．这就是熵增原理的微观本质．
熵S的计算公式如下： CVdTSSPdS=dT+dT+dV=dV TTVTVTV
上式用到了热容量的定义和麦氏关系式
对T和V积分就得到
S=So+TCVdT
TT0PdV V0TVV
上述热容量（或比热）和状态方程是已知的。因为它们是可以直接测得的。这样，熵也就可以算出来了。
熵也可以用T，P做独立变量表示，即
dS=CpdTT
T-VdP TpS=S0+T0CpdTTVdP P0TPP
有了dS和S的结果，内能U，焓H，自由能F,吉布斯函数G就可直接算出来了。即 dU=TdS-PdV=T(CvdTPPdV+)-PdV=CdT+[T-P]dV vTTVTV
VdH=TdS+VdP=CpdT+[V-TdP]
TP
对以上两式积分就得到了U和H，据定义知
F=U-TS
G=U-TS+PV
算成U和S以后，直接代入上两式即可求出F，G。
由此可以看出，对这类问题的计算目的是，用决定系统状态的独立的自变量把所要求的量用积分或微分的形式表示出来，所用的独立自变量一定要是可测的量，如P,T,V,T或P，V。
熵量所计算出的表达式是否合乎标准或要求，是要看表达式中的量是否是可测的量，如VP热容量,等．在实际问题的处理中，比热和状态方程总是作为已知的，因为TTPV
它们是可以测量出来的．
2).焓
工程上常见的热力学系统是与外界既有能量传递，又在边界上进行质量交换的开口系统。例如工质流过汽轮机、锅炉、风机、管道以及进出储罐等．都应该看成开口系统。对于开口系统，流进系统的工质，不仅将它具有的内能、动能和势能带入系统，而且还把外界推它进入系统的报挤功作为压能带入系统。同样，流出系统的工质也会把它的内能、动能、势能和压能带出系统。可以证明、进出系统的单位质量工质的压能等于进出口处压强与比容的乘积．上述四部分能量中．只有内能和压能取决于系统的热力状态。于是．我们把内能与压能之和定义为一个复合状态参量一焓，单位质量流动工质的焓可表达为h=u+pv对于开口系统而言，焓的物理意义是明确的。它代表了流动工质所携带的取决于热力状态的那部分能量
焓的引入，给实际工程上热力计算带来极大的方便。例如；汽轮机中，气流对外的输出净功量等于进出口焓的差值；喷管中气流宏观动能的增加量可直接由进出口焓差得出；气流在热交换器中得到的热量等于其焓的增加量。
三．绝热节流和焦耳-汤姆生实验
让高压气体通过多孔塞（或节流阀）而降压的过程称为节流过程。若节流过程中与外界交换的热量可以忽略不计，或者在良好的绝热请况下进标则也称绝热节流．在多孔塞两例，工质处在平衡状态，有完全可以确定的压力和温度值．但在多孔塞内及其附近，气流具有强烈的摩擦，从而过程为不可逆．
在整个绝热节流过程中，没有传热、没有作办也没有位能变化．在一般情况下，气流本身的始值远远大于气流的动能，而且在节流过程中动能的变化也比较小．因地动能的变化可以略去不计．于是从开口系统稳定流动能量方程可得
h1=h2
此式说明在绝热节流过程中，初态的焓值等于终态的焓值。由于过程是不可逆眠绝热节流不是在等焓下进行，而焓相等仅仅满足于韧始及终了的状态．
焦耳—汤姆生实验的步骤是：在每次实验中高压端的压力p1和温度T1保持不变而低压端则维持不同的压力力：p2a,p2b,p2c……,相应得到了：T2a,T2b,T2c……．然后把这些点画在T-p图上，得到点1，点2a，点2b，点2c…，如下图所示．因为h1＝h2a＝h2b＝h2c＝…，所以通过这些点画出的一条曲线是等焓的．但这条曲线不代表气体通过节流阀所进行的过程．再作另外初始压力和温度的相类以的实验，即可以得到一系列不同始值的另外一组曲线如图2，3，4等线所示．
在T-P图上等焓曲线上任一点的斜率叫做焦耳—汤姆生系数j,即
Tj=p
从上式可知，由于在节流过程中，dp永远是负值，当j＞0时，则dT＜0，温度降低，
节流产生冷效应．当j＜0，则dT＞0，温度升高，节流产生热效应．当j＝0，则dT＝0，
温度不变，节流产生零效应．j＝0的各点为相应等始线的最高温度点，这些点上的温度
称为回转温度，这些点称为回转点，所有回转点的轨迹称为回转曲线．在回转曲线之内所有等焓曲线上的点，其j＞0，节流产生冷效应，故称为冷效应区。在回转曲线之外所有等焓
线上的点，其j＜0，节流产生热效应，故称为热效应区。
第二篇:《热力学论文》
热力学第二定律的几点认识
摘要：热力学第二定律是热力学中最核心和最本质的原理之一，其应用的领域已经远远超出了热力学而扩展到了人类的其他认知领域。其原因在于热力学第二定律深刻地揭示了世界的本质，使得人类对外部世界有了更深入地理解。文章从热力学最基本的概念入手，联系到生活实际，结合自己的学习生活经历探讨对热力学第二定律的认识。联系到热力学的发展历程，介绍热力学第二定律的形成并试图揭示其本质。
关键词：热力学体系 ；准静态过程； 可逆反应；熵
Some Understandings Of The Second Law Of Thermodynamics
Abstract: Thermodynamics second law of thermodynamics is the most central and most essential principle . Its applications far beyond the field of thermodynamics and extended to other human cognitive areas. The reason is that the second law of thermodynamics reveals the profound essence of the world, making human beings have a better understanding on the outside world. Articles from the basic thermodynamic concept, linked to real life, combined with their own life experiences of learning the second law of thermodynamics understanding. Linked to the thermodynamics of the development process, describes the formation of the second law of thermodynamics, and try to reveal its essence.
Key words: Thermodynamic system ; Quasi-static process; Reversible reaction; Entropy
热力学研究的对象被称之为热力学体系，也简称热力系。要成为热力系必须满足两个条件：一是所研究的系统是有限的；二是组成该系统的微观粒子是大量的。在宏观与微观之间有着鲜明地分别，同时也存在着广泛而深刻地联系。在宏观现象中能找到微观机理，在微观现象中也能够找到宏观表现。热力系是由大量微观粒子组成的系统，其状态取决于微观粒子的热运动，而宏观表现为大量微观粒子的统计平均值。
热力系中存在一个特殊的状态，大量微观粒子的热运动混乱程度达到最大，也就是内部微观粒子的运动可以看成各向同性。这也就是玻尔兹曼统计中所说的最概然状态，其宏观表现为各种描述宏观现象的状态参数不再随着时间变化，除非有外力改变这个状态。我们称之为平衡态，古典热力学的研究绝大多数就是建立在平衡态的基础之上的。严格来说，只有在平衡状态下热力系才有确定地状态参数，也就是说状态参数只有针对平衡态才是有意义的。因此，热力系的状态方程都是建立在平衡状态之下的。
当热力系外界条件发生变化时，或者有能量交换或者有物质交换，其平衡状态就要被破坏。但是，热力系的性质之一就是要趋向于热平衡状态的方向运动，因此平衡的打破和建立之间就会有一个时间差。和外界变化的速度比起来，微观粒子的运动是非常迅速的，也就是系统在受到一般的影响时其内部由平衡被打破到建立新的平衡所用的时间是非常少的。因此，如果热力系受到及其缓慢地外界影响，并且忽略系统内部的不平衡因素如摩擦和不等温传热，那么热力系的运动是可逆的。这里引出了可逆反应，与之密切关联的是准静态过程。热力系有一个平衡态变化到另外一个平衡态时，中间经历的每一部并不都是严格的平衡态，但是在一定情况下例如该过程是经过及其缓慢地变化那么可以近似地把每一步看成平衡态，这样的一个过程就叫做准静态过程。关于可逆过程，我们可以参考其他资料上对它的说明。 “要使过程可逆，必须使正过程和逆过程中相应的态具有相同的参量。换句话说，必须使过程在反向进行时，每一步都是正过程相应的一步的重复。也就是说这个过程在时间反演t=─t时具有不变性。因为在当t=─t时，正过程变成了逆过程。在热力学中，这只有在准静态无摩擦的情况下才有可能。因为对于准静态过程，过程中的每一步，体系都处在平衡态，参量都具有同样确定的数值。又因为是无摩擦的，体系的压强和外界的压强在任何时刻都具有相同的数值，因而正过程和逆过程所作的功大小相等，符号相反，总的结果为零。”
与准静态过程和可逆过程比较接近的自发过程也是一个很重要的概念。在热力学系统中发生的现象都可以分为自发过程和非自发过程。自发过程是不借助于外部的力量仅凭借自身的内部势差的推动发生的过程而非自发过程要借助于外界的帮助才能够发生。我们生活中很常见的例子就可以很好的区分开这两个概念。温度较高的热水放在室内会对外放热从而和外界达到热平衡就是一个自发的过程，冬天用空调使教室内的温度升高就是一个非自发过程。在这里我们可以隐约的感觉到热力系的平衡状态、自发过程、可逆过程有着深刻的联系，而讨论它们之间的关系也就集中地反映在了热力学第二定律之中。
上面介绍了几个基本概念是为了能够更好地理解热力学第二定律，认识和解读热力学第二定律正是本文的核心。我们知道热力学第一定律，也就是能量守恒定律在涉及热现象宏观过程的具体表现，是一个很伟大的发现。人们在认识到了自然界的能量都是守恒的之后又提出了是否遵循能量守恒定律的现象都可以发生，当时主要是研究热机效率的人们急切地想要知道热机的理论效率能否达到100%。
“热力学第二定律是关于自发过程方向性的规律，它明确指出了某些过程的不可逆性。它是大量实验事实的总结。由于自然界中不可逆过程是多种多样的，因而热力学第二定律也有不同的表达形式：
（a）克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体传给高温物体而不引起其他变化。
（b）开尔文说法：不可能从单一热源吸收热量把它变成有用的功而不产生其他影响。
（c）普朗克说法：不可能制造一部机器，在循环动作中把一重物升高而同时使一热库冷却。 这里要特别强调指出，在所有这些说法中，’不引起其他变化’，’不产生其他影响’，’循环动作’等条件是极为重要的。这些条件，本质上就是说的不可逆性。”
上述的几种说法都是正确的，它们之间可以互相证明，也就是否定其中一种说法就会否定另一种说法。作为揭露客观世界的基本定理，缺少了数学表达式是显得不够完美，而热力学中有很多能够反映第二定律的数学表达式。孤立系的熵增加原理就很深刻的反映了这一数学本质。
“假定任何一个热均匀的热力学体系，在循环过程中和n个热源接触并交换热量，可以证明有如下表达式：
Qi<=0 ; i1Tin
其中，Qi、Ti分别是从第i个热源吸收的热量和第i个热源的温度。
为此，如图，想象另外一个温度为T0的热源，有n个可逆的卡诺机分别在T0和T1、T2""Tn热源之间工作。第i个卡诺机工作在T0和Ti之间，他工作的目的在于使热源Ti恢复原状。体系从Ti中吸收热量Qi，第i个卡诺机就从T0中吸收热量Q0i，放热Qi给热源Ti。因为卡诺机是可逆的，于是有
Q0iQi卡诺机+=0 T0Ti
Qi（卡诺机）表示热机放给Ti的热量。它数值上等于体系从吸收的热量：
Qi（卡诺机）= ─Qi（体系）
式中表示体系从吸收的热量，从吸收的总热量为
Qi Q0=T0 Ti1in
由于n个卡诺机的工作，热力学体系经历的循环过程的总的结果是热力学体系复原了，热源T1""Tn也复原了，只从单一热源T0吸收了热量，根据热力学第二定律，体系不能从单一热源吸收热量全部用来对外做工而不引起其他变化，因此，Q0不能大于零，即有Q0≤0， 即:
Qi≤0 i1Tin
对于可逆过程，上式取等号。一般情况下，任何一个非等温、非绝热的过程都可视为与无穷多热源相接触并交换热量的过程，上式的求和应改为积分，有
QT≤0
对于可逆过程，上式改为
Qr
Tr=0
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