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热力学系统 [2017/11/25 06:01]
杨力宾 创建 		热力学系统 [2019/01/06 08:59] (当前版本)
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 “每当（做功体）的体积发生变化，气体对外界或者外界对气体必定要做一定量的功，这是由于气体在膨胀时会克服外界的压力，而其体积的收缩必须要在外界对其施加一定的压力时才能实现。而依据我们遵从的原理，在气体对外界或外界对气体做这份额外的功时，必然会对应消耗或产生一定比例的额外的热量，而气体向“外界介质”并不能释放与其吸收的相当的热量。” “每当（做功体）的体积发生变化，气体对外界或者外界对气体必定要做一定量的功，这是由于气体在膨胀时会克服外界的压力，而其体积的收缩必须要在外界对其施加一定的压力时才能实现。而依据我们遵从的原理，在气体对外界或外界对气体做这份额外的功时，必然会对应消耗或产生一定比例的额外的热量，而气体向“外界介质”并不能释放与其吸收的相当的热量。”
  
-{{:​热力学系统.png?​600|}}+{{:​热力学系统.png?​600|}}（图源网络） 
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 +  *   ​卡诺热机的现代模型，其中热量从高温热源TH通过“工作物质”流向低温热源TC。在这一过程中，工作物质会依靠其体积收缩和膨胀的循环过程对外做机械功W。工作物质可以是任何能传热并能大幅膨胀的流体，例如水蒸气、酒精蒸汽，汞蒸气，这一点在卡诺1824年发表的《论火的动力》已有阐明。而对外做的机械功可以通过推动活塞进而推动曲柄臂进而转动滑轮等方式用于为浸水的盐矿进行排水等生产活动中。卡诺将功定义为“将一重物向上提升一定高度”。 
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 +===== 边界和环境 ===== 
 +系统的边界是包围或标定热力学系统所占据空间区域的，物质、热量或功等等的量可以流过的，实际存在的或假想出来的二维闭合曲面。简言之，热力学系统的边界是系统与环境的几何分界。 从拓扑学角度考虑,​ 它通常与一个二维球面同胚或分段同胚，因为热力学系统的空间结构通常是单连通的。 
 +系统的边界的形状既可以是不变的（例如一个定容反应器），也可以是可变的（例如活塞结构）。边界既可以是真实存在的，也可以是假想出来的。对于封闭系统而言，其边界通常是真实存在的，而开放系统的边界通常是假想出来的。为了理论研究上的方便，系统的边界会被设定具有绝热，恒温，透热，绝缘，全透，或半透等等性质——但实际上能使边界具有上述较为理想性质的材料可能并不存在。而边界的体积也是可大可小的，例如它可以大到一个热带气旋所占据的空间体积，也可以小到一个夸克系统所所占据的空间体积。 
 +系统指物质世界被特别拿出研究的部分，而其环境是指在其边界外的物质世界其它部分。依据系统的类型，系统可以与其环境发生物质、能量（包括热量和功）、动量、电荷或其他守恒量的传递。除了需要考虑这些作用以外，系统的环境通常在对系统研究时会被忽略。 
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 +===== 分类 ===== 
 +热力学系统依据其边界所允许传递的量进行分类。 
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 +{{:​热力学系统类型.png?​200|}}（图源网络） 
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 +  * 开放系统 
 +    开放系统是能与其环境传递能量和物质的热力学系统。它的边界的一部分同时允许其与环境进行物质的传递的性质称为“全透性”。 
 +  * 封闭系统 
 +    封闭系统是能与其环境传递能量（热量或功）但不能传递物质的热力学系统。通常温室可以看作一个封闭系统，可以与其环境传递能量，不能与其环境传递功。一个系统与外界传递的是热量或机械能或二者同时可以传递，通常取决于其边界的性质。 
 +  * 绝热系统 
 +    绝热系统是指不与其环境传递物质或热量，但能传递机械能的热力学系统。系统中发生的过程被称为绝热过程 
 +  * 力学孤立系统 
 +    力学孤立系统是指不与其环境传递物质或机械能，但能传递热量的热力学系统。对于一个简单系统，力学孤立等价于其体积固定。系统中发生的过程被称为等容过程。 
 +  * 孤立系统 
 +    孤立系统是彻底孤立于其环境的热力学系统。它不与其环境发生物质或能量的传递。而在实际情况中，彻底孤立于其环境的热力学系统并不存在，因为系统内部与外界多少会存在一定的联系，比如万有引力。 
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 +===== 参考文献 ===== 
 +  * 秦允豪. 《普通物理学教程 热学》第三版. 高等教育出版社. 2011. ISBN 978-7-04-030090-1. 
 +  * Eu, B.C. (2002). Generalized Thermodynamics. The Thermodynamics of Irreversible Processes and Generalized Hydrodynamics,​ Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, ISBN 1-4020-0788-4. 
 +  * Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics,​ American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3,​ p. 20. 
 +  *  Tisza, L. (1966). Generalized Thermodynamics,​ M.I.T Press, Cambridge MA, p. 119. 
 +  *  Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics,​ American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3,​ p. 22. 
 +  *  Perrot, Pierre. A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. 1998. ISBN 0-19-856552-6. 
 +  * The Blue Book on Environment by Richard Dawkins 
 +  *  Shavit, A., Gutfinger, C. (1995). Thermodynamics. From Concepts to Applications,​ Prentice Hall, London, ISBN 0-13-288267-1,​ Chapter 6. 
 +  *  Adkins, C.J. (1968/​1983). Equilibrium Thermodynamics,​ third edition, Cambridge University Press, Cambridge UK, ISBN 0-521-25445-0,​ pp. 46–47. 
 +  *  Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics,​ American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3,​ pp. 19–23. 
 +  *  I.M.Kolesnikov;​ V.A.Vinokurov;​ S.I.Kolesnikov. Thermodynamics of Spontaneous and Non-Spontaneous Processes. Nova science Publishers. 2001: 136. ISBN 1-56072-904-X. 
 +  * A System and Its Surroundings. ChemWiki. University of California - Davis. [May 2012]. 
 +  *  Hyperphysics. The Department of Physics and Astronomy of Georgia State University. [May 2012]. 
 +  *  Bryan Sanctuary. Open, Closed and Isolated Systems in Physical Chemistry,. Foundations of Quantum Mechanics and Physical Chemistry. McGill University (Montreal). [May 2012]. 
 +  *  Material and Energy Balances for Engineers and Environmentalists (PDF). Imperial College Press. : 7 [May 2012]. 
 +  * Abbott, M.M.; van Hess, H.G. Thermodynamics with Chemical Applications 2nd. McGraw Hill. 1989. 
 +  * Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl. Fundamentals of Physics 8th. Wiley. 2008. 
 +  * Moran, Michael J.; Shapiro, Howard N. Fundamentals of Engineering Thermodynamics 6th. Wiley. 2008. 
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