大学物理热力学基础思维导图

《热力学基础》重点在于理想气体动态方程、热力学两大定律在各种状态下的应用以及卡诺定理用来计算各种热机的效率，较难部分在于弄清楚热力学的第一、第二定律。

热力学基础

• 热力学第零定律和第一定律
  • 热力学第零定律（英国物理学家福勒）：如果两个物体都处于确定状态的第三物体处于热力平衡，则两个物体彼此处于热平衡（温度是决定一个物体是否与其他物体处于热平衡的宏观性质）
  • 热力学过程：非准静态和准静态过程 准静态过程：无限缓慢的状态变化过程
  • 功 热量 内能
    • 做功：dA=pSdl=pdV (通过宏观的有规则运动如机械运动、电流等来完成)
    • 内能：热力学系统在一定状态下，应具有的能量 内能的改变量只取决于初末两种状态，与经历的过程无关 内能是系统状态的单值函数
  • 热力学第一定律：Q=E2-E1+A 外界对系统传递的热量，一部分是使系统内能增加，另一部分是用于系统对外做功
• 热力学第一定律对理想气体准静态过程的应用
  • 等体过程 气体的摩尔定容热容：在等体过程中，外界传给气体的热量全部用来增加气体的内能，而系统没有对外做功 摩尔定容热容：指1mol气体在体积不变的条件下，温度改变1K所吸收或放出的热量（只与分子自由度有关）
  • 等压过程 气体的摩尔定压热容：气体在等圧膨胀过程中，所吸收的热量一部分用来增加内能，另一部分用于气体对外做功；气体在等压压缩过程中，外界对气体做功，同时内能减小，其和等于放出的热量 |摩尔定压热容：1mol气体在压强不变的条件下，温度改变1K所吸收或放出的热量
  • 等温过程：系统的温度保持不变，在等温过程中，理想气体的内能也保持不变dE=0 在等温膨胀过程中，理想气体所吸取的热量全部转化为对外所作的功；反之，在等温压缩时，外界对理想气体所做的功，将全部转化为传给恒温热源的热量
  • 绝热过程：理想气体在绝热压缩过程中，外界所做的功全部转化为气体内能的增加，使温度升高；在绝热膨胀过程中，它消耗本身的内能来对外做功，使温度降低
  • 多方过程
• 循环过程 卡诺循环
  • 循环过程：正循环（沿闭合曲线顺时针方向的循环）{热机}、逆循环{制冷机} 系统经历一个循环后内能不变-系统吸收（放出）的净热量等于系统对外所做的净功（外界对系统所做的净功）
    • 热机效率：η=A/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1
    • 制冷系数：ω=Q2/A=Q2/(Q1-Q2){大多数情况不小于1}
  • 卡诺循环：两个温度恒定的热源（一高一低）之间工作的循环过程 卡诺热机的效率：η=1-Q2/Q1=1-T2/T1(总小于1；温差越大效率越高） 卡诺逆循环的制冷系数：ω=Q2-A=Q2/(Q1-Q2)=T2/(T1-T2)
• 热力学第二定律
  • 热力学第二定律 开尔文：不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之全都变成有用的功而不产生其他影响 克劳修斯：热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。
  • 两种表述的等价性
• 可逆过程与不可逆过程 卡诺定理
  • 可逆过程：系统状态变化过程中逆过程能重复正过程的每一个状态，且不引起其他变化 不可逆过程：在逆过程完成后，对外界影响不可消除 实际热力学过程都是不可逆过程（功热转换、热传递、气体膨胀等）
  • 卡诺定理 ：卡诺循环的每一个过程都是平衡过程，是理想的可循环，完成可逆循环的热机叫可逆机 (1)同样高低温热源（高T1低T2）之间的一切可逆机，效率都等于（1-T2/T1） (2)在同样高低温热源之间工作的一切不可逆机的效率不可能高于可逆机
  • 卡诺定理的证明
• 熵 玻尔兹曼关系
  • 熵
  • 自由膨胀的不可逆性：实质上反映了这个系统内部发生的过程总是由概率小的宏观状态向概率大的宏观状态进行，亦即由包含微观状态数目较少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行的 气体在自由膨胀这个不可逆过程中，它的熵是增加的（可用气体动理论的观点解释）
  • 玻尔兹曼关系
    • 用W表示系统（宏观）状态所包含的微观状态数，或把W理解为（宏观）状态出现的概率，并叫做热力学概率 玻尔兹曼关系：S=k lnW (熵表明它是分子热运动无序性或混乱性的量度) 系统的某一状态的熵值越大，对应宏观状态越无序
• 熵增加原理 热力学第二定律的统计意义
  • 熵增加原理：在封闭系统中发生的任何不可逆过程，都导致了整个系统的熵的增加，系统的总熵只有在可逆的过程中才是不变的
  • 热力学第二定律的统计规律
  • 熵增与能量退化
  • 熵增和热寂
• 耗散结构 信息熵