余高奇博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666 经典热力学也称平衡态热力学,研究系统由一个热力学平衡态变化至另一个热力学平衡态的准静态过程的自发性。

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pVTS四个基本热力学性质的特征

已有 1553 次阅读 2022-9-2 20:05 |系统分类:教学心得

       本文拟探讨pVTS四个基本热力学性质的特征,供参考.

       热力学能(U)也称内能,是由热能(TS)、功能(-pV)及吉布斯能(G)共同构成,热力学能的构成参见如下式(1)[1].

       U=TS+(-pV)+G        (1)

       式(1)中热能(TS)及功能(-pV)结构明确,可称为初级能量; 吉布斯能(G)的结构模糊,常称为次级能量. 

       正确解读吉布斯能次级能量的结构,需设法获取吉布斯能改变量(dG,参见如下式(2).

        dG=-S·dT+V·dpW'     (2)  

       一般认为式(2)中“-S·dT”及“V·dp”是热能(TS)及功能(-pV)作用吉布斯能(G)的残余项,与吉布斯能内涵无关.

       由式(2)可知吉布斯能(G)是热力学过程的各类有效功源;吉布斯能越大,系统提供有效功的潜力越强.

        温度(T)、压强(p)、熵(S)及体积(V)是热力学基本方程四个最基本的构成要素, 可称系统的基本热力学性质.

  1. 热力学温度T与熵S

       与温度及熵定义相关的热力学公式参见如下式(5)、(6)及(7):

        Eh=TS                       (5)

         δQT·dS             (6)

        S=k·lnω                    (7)

        式(5)中Eh代表系统的热能(TS[2].

  1. 1 热力学温度(T

      热力学温度定义包括2层含义,(1)温度是系统热能(Eh)的构成部分(温度越高,热能越大,热力学能越高);(2)温度是热量随熵的变化率; 温度越高,系统改变相同的熵,对应热量越多.

  1. 2 熵S

      热力学熵定义包括3层含义,(1)熵是系统热能(Eh)的构成部分(熵值越大,热能越高,热力学能值越大);(2)一定温度下,系统熵变越大,对应的热量越多;(3)熵是系统混乱度的量度,混乱度(ω)越大,熵值越大.

  2. 压强(p)与体积(V

      与压强及体积定义相关的公式参见如下式(8)、(9)及(10).

       EW=-pV                         (8)

      δWV=-p·dV                    (9)

       p=F/S                          (10)

      式(8)中EW代表系统的功能(-pV).

   2.1 压强(p

        热力学压强定义包括2层含义,  (1)压强是系统功能(EW)的构成部分(压强越大,功能越小,热力学能越小);(2)压强是体势变随体积变化率的相反值;压强越大,系统改变相同体积,对应体势变值越小.

       需强调,热力学压强(p)是一个没有方向的标量.

       此外,压强的物理学定义是指系统单位面积所承受的压力, 它与热力学无关.

   2.2 体积(V)

       热力学体积定义包括2层含义,  (1)体积是系统功能(EW)的构成部分(体积越大,功能越小,热力学能越小);(2)一定压强下,系统体积改变量越大,对应体势变值越小.

       此外,体积物理学定义是指描述系统所占空间大小的量度.

  3. 结论

      ⑴热力学压强是没有方向的标量;

     ⑵系统温度越高,熵值越大,热能( TS)越大,热力学能越高;

      ⑶系统压强越高,体积越大,功能(-pV)越小,热力学能越小.

参考文献

[1]余高奇. 热力学第一定律研究.http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666. 科学网博客, 2021, 8. 

[2] 曾庆衡主编. 物理化学. 长沙:中南工业大学出版社, 1992,8:58




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