基本状态参数和状态方程
在简单可压缩系统(与外界只有准静态体积变化功交换)中有如下基本状态参数:
- 压力p(力学参数)
- 比体积v(位移变量)
- 温度T(热力学第零定律)
- 热力学能u(热一)
- 熵s(热二)
在这之中,由三个可测基本状态参数pvT组成的函数关系F(p,v,T)=0称为状态方程
一般有如下常用状态方程:
⎩⎨⎧简单可压缩系统:F(P,T,V)=0,热力学能函数:u=u(T,v),焓函数:h=h(T,P),熵函数:s=s(T,v)=s(T,p).
Furthermore,我们得到状态公理:
在平衡状态下,一个热力系的内部强度状态参数可由n+1个独立的内部强度状态参数来确定.
这是吉布斯相律(Gibbs phase rule)在热力学基本概念中的体现,用于描述系统状态所需的独立变量数。实际系统中,n 取决于具体功的形式 (在简单可压缩系中,n=1 仅pdV)
要判断dz是否为状态参数,需满足全微分条件,i.e.
dz=(∂x∂z)ydx+(∂y∂z)xdy=Mdx+Ndy
(∂y∂M)x=(∂x∂N)y
基本热力学关系推导
du=δq−δw
对于简单可压缩工质,做功量为δw=pdV
对于可逆过程,由热力学第二定律,吸热量δq=Tds
du=Tds−pdv
这是导出其它一般关系式的热力学依据,称为基本热力学关系
h=u+pv
根据全微分公式,可以推导得到:
dh=Tds+vdp
进一步的,可以用不同的热力学参数表达基本热力学关系:
Legendre变换
⎩⎨⎧(∂s∂u)v−(∂v∂u)s(∂p∂h)s−(∂T∂f)v=(∂s∂h)p=T=−(∂v∂f)T=P=(∂p∂g)T=v=−(∂T∂g)p=s
故du可以表示为:
du=(∂s∂u)vds+(∂v∂u)sdv
又二元函数的二阶混合微商与求导顺序无关,可以得到(下标恒温/容/压):
(∂v∂s)T=(∂T∂p)v
(∂p∂s)T=−(∂T∂v)p
此即麦克斯韦关系式,将不可测熵s的偏微商与可测的基本状态参数p,v 和T(即状态方程)的偏微商相关联
吉布斯方程式
{du=Tds−pdvdh=Tds+vdp
吉布斯自由能:
f≡u−Ts
df=−sdT−pdv
吉布斯自由焓:
g≡h−Ts
dg=−sdT+vdp
比热容
定容比热:
cv≡(∂T∂u)vcv=(dTδq)v
定压比热:
cp≡(∂T∂h)pδq=dhpcp=(dTδq)p
比热容之间存在如下关系:
T(∂T∂s)v=cv,T(∂T∂s)p=cp−T(∂T∂v)p(∂T∂P)v,cp−cv=T(∂T∂v)p(∂T∂P)v比热比 γ=cvcpcp−cv=Tvα2/KT
定义以下特殊偏微商为热系数:
⎩⎨⎧αv=ν1(∂T∂ν)pKT=−ν1(∂p∂ν)Tβ=p1(∂T∂p)vKs=−ν1(∂p∂ν)sμJ=(∂p∂T)h体积膨胀系数 定温压缩率 (定温压缩系数)压力温度系数等熵压缩率 (绝热压缩系数) 绝热节流系数
不难发现:
cp−cv>0
在引入比热容后,可以简化各个状态参数的微分式
状态参数的微分式
热力学能的微分式
u(T,v)
du=(∂T∂u)vdT+(∂v∂u)Tdv
Tds=du+pdv
(∂v∂u)T=T(∂v∂s)T−p
(∂v∂s)T=(∂T∂p)v
du=cvdT+[T(∂T∂p)v−p]dv
焓的微分式
h(T,p)
dh=(∂T∂h)pdT+(∂p∂h)Tdp
dh=Tds+vdp
(∂p∂h)T=−T(∂T∂v)p+v
−(∂T∂v)p=(∂p∂s)T
dh=cpdT−[T(∂T∂v)p−v]dp
熵的微分式
ds=(∂T∂s)vdT+(∂v∂s)Tdv
=(∂T∂s)pdT+(∂P∂s)TdP
(∂T∂s)v=(∂T∂u)v(∂s∂u)v=Tcv
(∂T∂s)p=(∂T∂h)p(∂s∂h)p=Tcp
(∂v∂s)T=(∂T∂P)v
(∂P∂s)T=−(∂T∂v)P
ds=TcvdT+(∂T∂p)vdv
ds=TcpdT−(∂T∂v)pdp
(∂p∂s)v=Tcv(∂p∂T)v
(∂v∂s)p=Tcp(∂v∂T)p
s(p,v)
ds=Tcv(∂p∂T)vdp+Tcp(∂v∂T)pdv