温度、热量与内能课件.pptVIP

*************************************热力学平衡热平衡温度均匀，热量不再传递1力学平衡压力均匀，无宏观运动2相平衡各相间物质转换平衡3化学平衡化学反应正逆速率相等4热力学平衡是系统不再发生宏观变化的状态，是热力学研究的重要基础。完全的热力学平衡包括热平衡、力学平衡、相平衡和化学平衡。在热力学平衡状态下，系统的宏观性质（如温度、压力、化学势）不随时间变化，且在空间上均匀分布。热力学平衡的判据是系统的熵达到最大值，吉布斯自由能达到最小值。自然界中的自发过程总是朝着平衡状态方向进行，这是热力学第二定律的表现。达到平衡后，系统不会自发离开平衡状态，除非外界条件发生变化。平衡状态是可逆过程的起点和终点，也是分析热力学循环的基础。相图水的相图水的相图展示了水在不同温度和压力条件下的物理状态。图中有三条相界线，分别表示固-液、液-气和固-气之间的相变边界。三条线的交点称为三相点，对水而言为0.01℃和611.73Pa，此时冰、水和水蒸气三相共存。二氧化碳相图与水不同，二氧化碳的三相点位于5.2气压和-56.6℃，远高于大气压。这导致在一个大气压下，固态CO?（干冰）不会熔化，而是直接升华为气体。二氧化碳的临界点为31.1℃和73.9气压，超过此点将不再有明显的液-气相变。铁碳相图铁碳相图是冶金学中的重要工具，展示了不同温度和碳含量下钢铁的组织结构。通过相图可以指导热处理工艺，如退火、淬火和回火，控制钢材的力学性能。铁碳相图包含多种相：铁素体、奥氏体、渗碳体和珠光体等。热膨胀1固体热膨胀固体加热后体积增大，冷却后体积减小，这种现象称为热膨胀。固体的线膨胀系数α定义为单位长度的物体温度升高1℃时长度的相对增加量，即△L/L=α△T。体膨胀系数β近似等于3α。不同材料的膨胀系数差异很大，金属通常较大，陶瓷较小。2液体热膨胀大多数液体加热后体积增大，冷却后体积减小。液体的体膨胀系数一般大于固体，且随温度变化明显。水是特例，在0-4℃范围内加热时体积反而减小，称为反常膨胀。这一特性使冰浮在水面上，对自然界生态系统具有重要意义。3气体热膨胀气体的热膨胀系数远大于固体和液体。理想气体在恒压条件下，体积与绝对温度成正比，体膨胀系数β=1/T，约为0.00366/℃。这一规律称为查理定律。气体的热膨胀是气球上升、热气流对流和许多气象现象的基础。4工程应用热膨胀在工程中既是挑战也是机遇。桥梁设计需要考虑伸缩缝，铁轨需要预留间隙，精密仪器需要温度补偿。同时，热膨胀也被利用，如双金属温度计、热敏开关和热力学装置。低膨胀系数材料在精密光学、航空航天等领域有重要应用。热应力热应力形成机理热应力是由温度变化引起的机械应力。当物体不能自由膨胀或收缩时，温度变化会导致内部应力产生。热应力的大小与温度变化、材料的膨胀系数和弹性模量有关。热应力公式：σ=Eα△T，其中E是弹性模量，α是热膨胀系数，△T是温度变化。工程中的应用热应力在许多工程领域都需要考虑。钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土的膨胀系数需要匹配，以减少开裂风险。焊接过程中，局部加热和冷却会产生热应力，可能导致变形和开裂。热处理工艺需要精确控制加热和冷却速率，以避免过大的热应力损伤材料。热应力既可能有害，也可能有益。过大的热应力会导致材料破坏、设备失效和结构损坏。但适当利用热应力可以实现某些特殊功能，如热装配技术、应力强化处理和双金属片应用。在材料科学中，通过控制热应力分布可以改善材料性能和延长使用寿命。热传导热传导是通过物质分子间的直接碰撞实现能量传递的方式，遵循傅里叶定律：热流量密度q与温度梯度成正比，即q=-k·(dT/dx)，其中k是导热系数，表示材料导热能力的强弱。导热系数越大，材料导热能力越强。金属是良好的导热体，因为自由电子可以有效传递能量；而多孔材料和气体是良好的绝热体，因为气体分子稀疏，碰撞频率低。稳态导热问题可用傅里叶定律直接求解，如平壁导热Q=kA(T?-T?)/L；非稳态问题则需要解热传导微分方程。热传导在建筑保温、电子冷却、食品加工等领域有广泛应用。热对流自然对流自然对流是由流体温度差异导致的密度差异引起的流动现象。当流体被加热时，膨胀变轻，上升；冷却时，收缩变重，下沉。这种自发的流动形成对流循环，从而传递热量。自然对流的实例包括房间内的空气流动、海洋中的温盐环流和地球大气环流等。强制对流强制对流是由外力（如风扇、泵）驱动流体运动而产生的热量传递。强制对流的热传递效率通常高于自然对流，因为流体速度更大，温度梯度更陡。空调、散热器、热交换器等设备都利用强制对流提高热传递效率。