大学物理——热力学基础

大学物理热力学基础，详解思维导图。热力学是理工科，比如物理、化学、工程等学科的重要基础课程之一。内容详尽，大家可以根据自己的理解在此基础上自行增减，希望可以给备考的朋友们带来便捷，谢谢！

热力学基础

• 基本量
  • 热力学过程
  • 功
    • 做功改变内能是宏观功
    • 热传递改变内能是微观功
  • 热量
  • 内能
    • 始末状态确定，则做功和传热之和保持不变
    • 内能增量只和始末状态有关（内能变化只与系统始末温度有关，与过程无关）
    • 内能仅仅是温度的函数E=E（T）
• 热力学第一定律及其应用
  • 热力学第一定律
    • 表述：某系统从外界吸收热量一部分用来增加系统的内能，另一部分用来对外做功
    • 对有限过程：Q=△E+W 对微小过程：dQ=dE+dW
    • W和Q都是过程量，E是状态量
    • Q＞0系统吸热，Q＜0系统放热 △E＞0内能增加，△E＜0内能减少 W＞0系统对外界做功，W＜0外界对系统做功
    • 气体准静态膨胀过程
      • 本过程中作的元功：dW=pdV
    • 第一类永动机不可能制成
  • 热力学第一定律对理想气体的应用
    • 子主题
    • 等体过程
      • dV=0
      • 过程方程：p₁/T₁=p₂/T₂
      • dW=pdV=0
      • 摩尔热容：1mol物质温度升高1K所吸收的热量
      • 定体摩尔热容：1mol理想气体在等体过程中温度升高1K所吸收的热量
    • 等压过程
      • 等压强线是一条∥V轴的线段
      • 过程方程：V₁/T₁=V₂/T₂
      • 定压摩尔热容
      • 定压摩尔热容和定体摩尔热容的关系
      • 摩尔热容比
    • 等温过程
      • dT=0
      • 过程方程：pV=p₀V₀
      • 能量变化△E=0
      • Q=W
      • 等温类型
        • 等温膨胀
        • 等温压缩
      • 任何两条等温线不可能相交于一点
      • 等温线离坐标原点越近温度越低
• 绝热过程
  • 在不与外界交换热量的条件下，系统经历的状态变化过程
  • Q=0，dE=—dW
  • 绝热方程（适用于准静态过程）
  • 功的定义
  • 绝热线与等温线的比较
  • 任何两条绝热线不可能相交于一点
  • 绝热线下放热，上吸热
• 循环过程/卡诺循环/卡诺定理
  • 循环过程
    • 物质系统经历一系列变化过程又回到初始状态的周而复始的过程
    • 分类
      • 正循环🔁：顺时针
      • 逆循环：逆时针
    • 过程特征
      • △E=0
      • 净功W的绝对值表示P-V图上封闭曲线所包围的面积
    • 循环过程一定伴随有吸热和放热过程
    • 热机
      • 通过正循环过程连续地把热转换为功
      • 特点
        • 组成
          • 工作物质
          • 高温热源
          • 低温热源
        • 热机在循环过程中作净功W＞0
        • 热机的效率
    • 制冷机
      • 逆循环过程，低温→更低温
      • 制冷系数
  • 卡诺循环
    • 卡诺热机循环的效率＜1（热三：绝对零度永不可达到）
    • 卡诺热机的效率指出了提高热机效率的方向（提高高低温热源的温度差——提高高温热源的温度）
    • 卡诺制冷机
      • 制冷系数
    • 两条等温两条绝热
    • 差值越大效率越大
  • 卡诺定理
• 热力学第二定律
  • 内容
    • 热力学过程具有方向性
      • 热转换的不可逆性：功→热
      • 热传导的不可逆性：高温→低温
      • 气体的绝热自由膨胀：密度大→密度小
    • 正过程➕逆过程=0则对外影响全抵消
    • 例子
      • 不计阻力的单摆运动：单纯的无耗散的机械运动是可逆过程
      • 热机：功热转换不可能达到100%
      • 气体在真空中自由膨胀：要收缩到原状需要外界做功
  • 结论
    • 一切自发过程都是不可逆过程
    • 实现可逆过程的条件
      • 过程为准静态过程（无限缓慢）
      • 过程无耗散（如摩擦、扩散、非弹性碰撞、磁滞等）
    • 一切实际过程都是不可逆过程，因为一切过程都有耗散（可逆过程是理想化过程）
  • 热力学第二定律的两种表述
    • 开尔文表述
      • 不可能从单一热源吸收能量，使之完全变为有用功而不产生其他影响
        • 说明
          • 单一热源是指温度均匀且恒定不变的热源 不均匀就相当于两个热源
          • “其他影响”是指从单一热源吸收能量及把热量对外作功以外的任何变化 等温过程虽是从单一热源吸收热量全部对外作功，但体积膨胀了，而且做功的理想气体没有恢复原状
          • 热二律指出效率=100%的热机制造不出来
      • 第二类永动机不可能制成
    • 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
      • 热量不可能自动地从低温物体传向高温物体
  • 实质
    • 自然界一切与热现象有关实际宏观过程都是不可逆的
  • 意义
    • 指出实际宏观过程进行的条件和方向。满足能量守恒的过程不一定能实现
  • 热二律的统计解释
  • 熵和熵增加原理
    • 玻尔兹曼公式：S=klnW
      • 熵是宏观量【宏观状态对应的微观数目越多（热力学几率越大）熵越大】
      • 熵是系统增加的单值函数，熵增加与过程无关
    • 熵增加原理
      • 孤立系统自然发生的热力学过程总是△S≥0 （△S=0则是孤立系统的可逆过程）
      • 意义
        • 统计规律
        • 普遍规律