德语APS复习-热力学及传热学基础

对热力学中的重点内容进行了整理，比如热力学定律和各种方程，同时也有相应的德语翻译，重要的地方都有标记，足以应对aps德审。

热力学及传热学

• 绪论
  • 传热学的研究内容：传热学是研究由温差引起的热能传递规律的科学。
  • 热能传递的三种方式
    • 热传导：无相对位移，依靠分子、原子等热运动产生热能传递
    • 傅里叶定律：热流量
      • λ是比例系数，称为热导率，又称导热系数。
    • 热对流：发生相对位移，分为自然对流和强制对流
    • 牛顿冷却公式：q=h·Δt
      • 比例系数 h 称为表面传热系数。与流体物性及换热表面的形状、大小及流速有关
    • 热辐射：热辐射可在真空中进行。热能↔辐射能 黑体：吸收表面所有热辐射
• 热力学基本概念
  • 系统与环境
    • 敞开系统
      • 有物质交换
    • 封闭系统
      • 无物质交换
    • 孤立系统
      • 无物质无能量
    • 绝热系统
      • 无热量交换
  • 热力学平衡状态
    • 热平衡：系统内个部分之间及系统与环境之间没有温度差别
    • 力平衡：系统各部分之间，系统与环境之间没有不平衡的力存在
    • 物质平衡
      • 相平衡：多相中，各相组成及数量均不随时间而变化
      • 化学平衡：存在化学反应，系统组成不随时间而变化
  • 系统性质
    • 广度性质（容量性质）：物质的量成正比，有加和性
    • 强度性质（广延性质）：取决于自身特点，无加和性
  • 状态与状态函数
    • 基本状态参数：温度、压力P、比体积v=V/m
      • 描述宏观状态
    • 状态参数：温度（T）、压力（P）、密度（ρ）、内能（u）、焓（h）、熵（s）
    • 基本状态方程式：F（p，v，T）=0
    • 状态函数：描述宏观性质的，热力学性质
    • 状态函数性质
  • 状态方程式
    • 理想气体状态方程：/（p·m^3）
      • T为绝对温度（单位为K开尔文）数值为摄氏度加273.15 v为体积；R为普适气体常量（气体常数）
    • 适用于 1Kg 理想气体的状态方程式：(M物质的摩尔质量)
    • 对于n（mol）的理想气体，pVnR0T ；n=m/M (Kmol) V-nKmol所占体积。 对于m（kg）的理想气体：
      • 气体常数：R=R0/M=8314/M(J/kg·K)
    • 理想气体：有质量无体积
  • 过程
    • 定温过程
      • pv=常数；过程指数n=1 ；P1V1=P2V2
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    • 定压过程
      • p=常数；n=0；V2/T2=V1/T1
        • T越高，斜率越高
    • 定容过程
      • v=常数；n=∞；P2/T2=P1/T1
        • T越高，斜率越高
    • 定熵过程
      • 与外界没有热量交换情况下所进行的可逆热力过程,即放出的热量始终等于热力系的的热产，无摩擦的绝热过程 pv^k=常数
        • s=常数，s2=s1 
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    • 绝热过程
      • 与外界没有热量交换情况下所进行的状态变化过程，q=0
    • 多变过程
      • 凡过程方程为pv^n=常数的过程
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    • 循环过程：时态→时态（顺正，逆逆）
  • 热Q
    • 定义：系统和环境之间因分子运动强度不同而交换的能量
    • 热的本质：内部粒子无序运动
    • 热与过程有关，不是状态函数
    • 符号：吸热+；放热-
  • 功W
    • 定义：除热外，一切其他方式传递的能量
    • 功的微观：有序方式传递
    • 功与过程有关，不是状态函数
    • 符号：系统做功-；环境做工+
    • 体积功（膨胀功）：系统体积变化，反抗环境做的功
  • 过程量
  • 内能U
    • 定义：系统内部能量的总和，包括内动能、系统的内势能、分子内能、原子核内能等
    • 状态函数：U=f（T·V）
    • 性质：1）全微分方程 2）所有粒子的各种运动 和相互作用的能量之和
  • 焓H
    • 状态函数：H=U+pV
• 热力学第一定律
  • 焦耳实验
    • 1cal=4.1840J 热功当量
  • 封闭系统热力学第一定律的表达式
    • ΔU=Q+W 微分dU=δQ+δW
    • 文字：说明热力学能、热和功之间可以相互转化，但总的能量不变
    • 亦可表述为：第一类永动机是不可能制成的
      • 能量既不被创造，也不被消灭
• 热力学第二定律与熵
  • 第二定律概述
    • 两种表述
      • 克劳修斯表述：不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化，即热量不会自动地从低温物体传到高温物体
      • 开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化
      • 亦可说明第二类永动机是不可能的
        • 即单一热源且η＝１００％的热机
    • 两种表述的等效性
      • 两种表述分别揭示了功转变为热及热传递的不可逆性,这是两类不同的现象,两种表述的等效性说明一切不可逆过程间存在着内在的联系·
        • 两种表述是等价的
    • 四种不可逆因素：耗散不可逆因素、力学不可逆因素、热学不可逆因素、化学不可逆因素
    • 第二定律与第一定律的联系
      • 第一定律否定了创造能量或消灭能量的可能性； 第二定律否定了以某种特定方式利用能量的可能性
      • 任何不可逆过程的出现,总伴随有可用(作有用功) 能量被贬值为不可用能量的现象发生
    • 第二定律与第零定律的区别
      • 第零定律不能比较尚未达热平衡的两物体间温度的高低；而第二定律却能从热量自发流动的方向判别出物体温度的高低
      • 热力学中把功和热量传递方式加以区别就是因为热量具有只能自动从高温物体传向低温物体的方向性
      • 任何一种不可逆过程的说法，都可作为热力学第二定律的一种表述，它们都是等价
    • 数学表达式
      • 克劳修斯不等式（不可逆取不等号，可逆取等号） 
      • 对于任一初末态 i，f 均为平衡态的不可逆过程，可在末态、初态间再连接一可逆过程组成一不可逆循环。（等号可逆，不等号不可逆）
    • 热力学基本方程
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  • 循环
    • 正循环：热机(两个及以上热源)
      • 从高温吸热，向低温放热，η=1-|Q2|/Q1
    • 逆循环：制冷机
      • 从低温吸热，向高温放热，如电冰箱，制冷系数w=Q2/(|Q1|-Q2)
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    • 卡诺循环：卡诺热机
      • 工质只和两个恒温热库交换热量的准静态循环 
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    • 卡诺逆循环
      • 制冷系数：wc=T2/(T1-T2)
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  • 卡诺定理
    • 工作于相同高温热源 T1及相同低温热源 T2之间的一切可逆热机的效率都相等，与工作物质无关，都为：η可逆＝η卡诺＝１-T２/T１
    • 工作于相同高温热源 T1 及相同低温热源 T2 之间的一切不可逆热机的效率都不可能大于可逆热机的效率。 对于一切不可逆机（实际热机）有：η不可逆≤η可逆＝１－T２/T１
  • 热力学温标
    • 定义：工作于两个温度不同的恒温热源间的一切可逆卡诺热机的效率与工作物质无关，仅与两个热源的温度有关。该热机的效率是这两个温度的一个普适函数。
    • 设两热源温度分别为θ1和θ2，则
    • 也称为开尔文温标。热力学温标为绝对温标
    •  热力学温标及用理想气体温标表示的任何温度的数值之比是一常数
  • 熵与熵增加原理
    • 克劳修斯等式
      • 一切与热现象有关的实际过程均不可逆： (1)高温物体能自动将热量传给低温物体，但低温物体不能自动地将热量传给高温物体; (2)气体能自动地向真空膨胀，但气体不能自动收缩
      • 熵可作为过程进行方向的数学判据。
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      • 在整个卡诺循环中Q/T的总和等于零
    • 熵
      • 定义：若系统的状态经历一可逆微小变化，它与恒温热源T交换的热量为dQ ,则系统熵改变了dS=dQ/T
      • 与内能一样，是状态函数且为单值，与过程无关
      • 克劳修斯熵公式 根据热力学第一定律 
• 热力学第三定律
  • 能斯特（Nernst）热定理
    • 定义：凝聚系统在恒温化学变化过程中的熵变，随温度趋于0K而趋于零。
    • 即： 或：
  • 热力学第三定律
    • 定义：在0K时，纯物质完美晶体的熵值等于零
    • 数学表达式：
    • 或：
    • 完美晶体：晶体内部无任何缺陷，质点形成完全有规律的点阵结构，而且晶体中的质点只有一种排列方式。
  • 规定熵与标准熵
    • 定义：规定熵—在第三定律基础上，相对于求得纯物质B在某一状态的熵为该物质B在该状态的规定熵。 标准熵—在标准态下，温度T时的规定熵，为该物质在T时的标准熵。标准熵的符号为
    • 标准摩尔熵符号单位
    • 标准摩尔反应熵
    • 任意温度下的标准摩尔反应熵
• 热力学基本方程
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• 水蒸气
  • 未饱和水(低于饱和温度)和饱和水（到达饱和压力Ps对应的饱和温度ts） 湿饱和蒸汽：饱和液体和饱和蒸汽两者的混合物 干饱和蒸汽：全部变为蒸汽 过热蒸汽：温度大于压力对应的饱和温度
    • 干度x=湿蒸汽中干蒸汽的质量/湿蒸汽的总质量
  • 水的相图：溶解过程；气化过程；升华过程 A：三相点； C：临界点； AB：溶解曲线； AD：升华曲线 AC：沸腾曲线 一点：临界点C；tc=374.12℃，pc=22.115Mpa 两线：饱和水线AC与饱和蒸汽线BC 三区：未饱和水区、饱和蒸汽区、过热蒸汽区 五态：未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽
    •  凝固时体积变大的物质 凝固时体积变小的物质
  • P-v图
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  • T-s图
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• Thermodynamik E: Thermodynamics
  • grunde Betriffe
    • System
      • offenes System、geschlossenes System、abgeschlossenes System、warm isoliert System
    • Zustandsparameter
      • Temperatur、Druck、Volumen=V/Gewicht、Dichte ρ、Enthalpie H、Entropie S
    • Prozess Parameter
      • Wärmemenge、Leistung
    • Gaszustandsgleichung
      • pV=RT
        • R-Gaskonstante=8.314Joule/mol·Kelvin
      • für n Mole ideales Gas
        • pV=nRT
          • n=m/M (M-mole Gewicht)
      • für n Kilogramm ideales Gas
        • pV=mRT
      • Gaskonstante=R0/M=8314/M(J/kg·K)
    • Prozess
      • unveränderliche Temperatur
      • unveränderlicher Druck
      • unveränderliches Volumen
      • unveränderliche Entropie
  • erster Hauptsatz
    • Energie der Thermodynamik und Arbeiten und Wärmemenge können sich gegenseitig verwandeln, und seine Gesamtsumme ist invariant ΔU=Q+W
      • Perpetuum mobile erster Art ist unmöglich; benötigt keine Energie von Außenwelt.
  • zweiter Hauptsatz
    • Klausiuss Darstellung: die Wärmemenge kann sich nicht spontan von niedriger in hohe Temperatur verwandeln. Kelvins Darstellung: es ist un möglich, dass von einziger Heizquelle die Wärmemenge bekommen und zu keiner Veränderung führen kann.
      • Perpetuum mobile zweiter Art ist unmöglich, deren Effzienz ist gleich 100%.
    • Kreislauf
      • Plus Kreislauf: Wärmekraftmaschine(hat mehr als 2 Hrizquelle)
        • P-V-Koordinaten
      • negativer Kreislauf: Kältemaschine
        • P-V-Koordinaten
      • Carnot-Kreislauf: Carnot-Wärmekraftmaschine
        • isotherm ausdehnen - Wärme isoliert und ausdehnen -isotherm komprimieren-Wärme isoliert und komprimieren
      • Carnot-negativer Kreislauf
        • Koordinaten
    • Carnot-Hauptsatz
      • alle reversibele Wärmemaschine, die zwichen gleiche Hochtemperatur-Wärmequelle und gleiche Niedrigtemperatur-Wärmequelle arbeiten, haben gleiche Effizienz, und die Effizienz der irreversibelen Wärmemaschine ist kleiner als die reversibele Wärmemaschine.
  • dritter Hauptsatz
    • optimaler Kristall: sein Innenraum wird in völlig regelmäßigen Struktur angeordnet
    • Bei 0 Kelvin ist die Entropie des optimalen Kristall gleich null.
  • Dampf
    • ungesättigtes Wasser(unter der gesättigter Temperatur) -gesättigter Wsser(die gesättigte Temperatur des entsprechenden Drucks erreichen) -nassgesättigter Dampf(die Vermischung, die Dampf und gesättigtes Wasser enthalten) -trockensättigter Dampf(alle Wasser verwandelt in Dampf)
    • P-T-Koordinaten
      • Festkörper-Flüssigkeit-Gas
      • die Substanz, deren Volumen beim Erstarren zunimmt/abnimmt.
      • Tripelpunkt-Kritischer Punkt-374Grad-22Mpa
• 热力学第零定律
  • 如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡