知識點--熱力學與材料熱力學部分.doc

1、熱力學與材料熱力學部分熱力學:用能量轉化和守恒的觀點來研究物質熱運動的客觀規(guī)律；以實驗事實為基礎，總結研究系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中的功能轉化和熱力學過程的方向性問題。 熱力學研究能(energy）和能的轉變（transformations)規(guī)律材料研究的每個過程離不開熱力學 1、材料服役性能 2、材料制備 3、材料微觀組織材料熱力學是熱力學基本原理在材料設計、制備與使用過程中的應用。材料熱力學是材料科學的重要基礎之一。材料學的核心問題是求得材料成分組織結構各種性能之間的關系。問題的前半部分，即材料成分組織結構的關系要服從一個基本的科學規(guī)則，這個基本規(guī)則就是材料熱力學。在材料的研究逐漸由“嘗試法&qu

2、ot;走向“定量設計”的今天，材料熱力學的學習尤其顯得重要. 材料熱力學是經(jīng)典熱力學和統(tǒng)計熱力學理論在材料研究方面的應用，其目的在與揭示材料中的相和組織的形成規(guī)律。固態(tài)材料中的熔化與凝固以及各類固態(tài)相變、相平衡關系和相平衡成分的確定、結構上的物理和化學有序性以及各類晶體缺陷的形成條件等是其主要研究對象。 現(xiàn)代材料科學發(fā)展的主要特征之一是對材料的微觀層次認識不斷進步。利用場離子顯微鏡和高分辨電子顯微鏡把這一認識推進到了納米和小于納米的層次,已經(jīng)可以直接觀察到從位錯形態(tài)直至原子實際排列的微觀形態(tài)。這些成就可能給人們造成一種誤解，以為只有在微觀尺度上對材料的直接分析才是深刻把握材料組織結構形成規(guī)律的

3、最主要內容和最主要途徑；以為對那些熵、焓、自有能、活度等抽象概念不再需要更多的加以注意。其實不然，不僅熱力學的主要長處在于它的抽象性和演繹性，而且現(xiàn)代材料科學的每一次進步和發(fā)展都一直受到經(jīng)典熱力學和統(tǒng)計熱力學的支撐和幫助。材料熱力學的形成和發(fā)展正是材料科學走向成熟的標志之一.工業(yè)技術的進步在拉動材料熱力學的發(fā)展，而材料熱力學的發(fā)展又在為下一個技術進步準備基礎和條件。材料熱力學是熱力學理論在材料研究、材料生產(chǎn)活動中的應用。因此這是一門與實踐關系十分密切的科學。學習這門課程，不能滿足于理解書中的內容，而應當多進行一些對實際材料問題的分析與計算，開始可以是一些簡單的、甚至是別人已經(jīng)解決的問題，然后由

4、易漸難，循序漸進.通過不斷的實際分析與計算，增進對熱力學理論的理解,加深對熱力學的興趣，進而有自己的心得和成績。熱力學最基本概念:1、焓變 enthalpy焓，熱函：一個系統(tǒng)中的熱力作用，等于該系統(tǒng)內能加上其體積與外界作用于該系統(tǒng)的壓力的乘積的總和焓是物體的一個熱力學能狀態(tài)函數(shù)，焓變即物體焓的變化量。 焓和焓變焓是一個狀態(tài)函數(shù)，也就是說，系統(tǒng)的狀態(tài)一定，焓的值就定了.焓的定義式是這樣的：H=U+pV其中U表示熱力學能，也稱為內能（Internal Energy),即系統(tǒng)內部的所有能量p是系統(tǒng)的壓力(Pressure)，V是系統(tǒng)的體積（Volume)作為一個描述系統(tǒng)狀態(tài)的狀態(tài)函數(shù)，焓沒有明確的物

5、理意義H(焓變)表示的是系統(tǒng)發(fā)生一個過程的焓的增量H=U+（pV）在恒壓條件下，H（焓變)可以表示過程的熱力學能變 相關知識在介紹焓之前需要了解一下分子熱運動、熱力學能和熱力學第一定律：1827年，英國植物學家布朗把非常細小的花粉放在水面上并用顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)花粉在水面上不停地運動，且運動軌跡極不規(guī)則.起初人們以為是外界影響,如振動或液體對流等，后經(jīng)實驗證明這種運動的的原因不在外界，而在液體內部.原來花粉在水面運動是受到各個方向水分子的撞擊引起的。于是這種運動叫做布朗運動,布朗運動表明液體分子在不停地做無規(guī)則運動。從實驗中可以觀察到，布朗運動隨著溫度的升高而愈加劇烈。這表示分子的無規(guī)則運動跟溫

6、度有關系,溫度越高，分子的無規(guī)則運動就越激烈。正因為分子的無規(guī)則運動與溫度有關系，所以通常把分子的這種運動叫做分子的熱運動。本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途個人收集整理，勿做商業(yè)用途在熱學中，分子、原子、離子和原子團做熱運動時遵從相同的規(guī)律，所以統(tǒng)稱為分子。既然組成物體的分子不停地做無規(guī)則運動，那么，像一切運動著的物體一樣，做熱運動的分子也具有動能。個別分子的運動現(xiàn)象（速度大小和方向）是偶然的，但從大量分子整體來看,在一定條件下，它們遵循著一定的統(tǒng)計規(guī)律，與熱運動有關的宏觀量-溫度，就是大量分子熱運動的統(tǒng)計平均值。分子動能與溫度有關，溫度越高，分子的平均動能就越大，反之越小。所以從分子動理論

7、的角度看,溫度是物體分子熱運動的平均動能的標志（即微觀含義，宏觀：表示物體的冷熱程度)。分子間存在相互作用力，即化學上所說的分子間作用力(范德華力）。分子間作用力是分子引力與分子斥力的合力,存在一距離r0使引力等于斥力,在這個位置上分子間作用力為零。分子引力與分子斥力都隨分子間距減小而增大，但是斥力的變化幅度相對較大,所以分子間距大于r0時表現(xiàn)為引力，小于r0時表現(xiàn)為斥力.因為分子間存在相互作用力,所以分子間具有由它們相對位置決定的勢能，叫做分子勢能.分子勢能與彈簧彈性勢能的變化相似。物體的體積發(fā)生變化時,分子間距也發(fā)生變化,所以分子勢能同物體的體積有關系。物體中所有分子做熱運動的動能和分子勢

8、能的總和叫做物體的熱力學能，也叫做內能。熱力學能與動能、勢能一樣，是物體的一個狀態(tài)量.改變物體內能的方式有兩個：做功和熱傳遞。一個物體,如果它跟外界不發(fā)生熱交換，也就是它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量，則外界對其做功等于其熱力學能的增量：U1=W如果物體對外界做功，則W為負值，熱力學能增加量U1也為負值，表示熱力學能減少。如果外界既沒有對物體做功,物體也沒有對外界做功，那么物體吸收的熱量等于其熱力學能的增量：U2=Q如果物體放熱，則Q為負值，熱力學能增加量U2也為負值，表示熱力學能減少.一般情況下，如果物體跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么物體熱力學能的增量等于外界對物體做功加上物體從外界吸

9、收的熱量,即:U=U1+U2=Q+W因為熱力學能U是狀態(tài)量，所以：U=U末態(tài)U初態(tài)=Q+W上式即熱力學第一定律的表達式?；瘜W反應都是在一定條件下進行的,其中以恒容與恒壓最為普遍和重要.在密閉容器內的化學反應就是恒容過程.因為系統(tǒng)體積不變，而且只做體積功（即通過改變物體體積來對物體做功，使物體內能改變，如在針管中放置火柴頭，堵住針頭并壓縮活塞，火柴頭會燃燒），所以W=0，代入熱一定律表達式得：U=Q它表明恒容過程的熱等于系統(tǒng)熱力學能的變化，也就是說,只要確定了過程恒容和只做體積功的特點,Q就只決定于系統(tǒng)的初末狀態(tài)。在敞口容器中進行的化學反應就是恒壓過程。所謂橫壓是制系統(tǒng)的壓強p等于環(huán)境壓強p外,

10、并保持恒定不變,即p=p外=常數(shù)。由于過程恒壓和只做體積功，所以:W=W體積=p外(V2-V1)=（p2V2-p1V1）其中W為外界對系統(tǒng)做的功，所以系統(tǒng)對外做功為負.壓強乘以體積的改變量是系統(tǒng)對外做的功,可以按照p=F/S,V=Sh，F(xiàn)h=pV來理解.將其代入熱一定律表達式得：Q=UW=U2-U1+（p2V2p1V1）=（U2+p2V2)-(U1+p1V1）因為U+pV是狀態(tài)函數(shù)（即狀態(tài)量）的組合（即一個狀態(tài)只有一個熱力學能U,外界壓強p和體積V）,所以將它定義為一個新的狀態(tài)函數(shù)-焓，并用符號H表示，所以上式可變?yōu)?Q=H2H1=H它表明恒壓過程中的熱等于系統(tǒng)焓的變化，也就是說，只要確定了過

11、程恒壓和只做體積功的特點，Q就只決定于系統(tǒng)的初末狀態(tài)。焓的物理意義可以理解為恒壓和只做體積功的特殊條件下，Q=H，即反應的熱量變化。因為只有在此條件下，焓才表現(xiàn)出它的特性.例如恒壓下對物質加熱，則物質吸熱后溫度升高，H>0,所以物質在高溫時的焓大于它在低溫時的焓。又如對于恒壓下的放熱化學反應，H0，所以生成物的焓小于反應物的焓。在化學反應中，因為H是狀態(tài)函數(shù)，所以只有當產(chǎn)物和反應物的狀態(tài)確定后，H才有定值。為把物質的熱性質數(shù)據(jù)匯集起來，以便人們查用,所以很有必要對物質的狀態(tài)有一個統(tǒng)一的規(guī)定，只有這樣才不致引起混亂?；谶@種需要，科學家們提出了熱力學標準狀態(tài)的概念.熱力學標準狀態(tài)也稱熱化學

12、標準狀態(tài),具體規(guī)定為：氣體-在p（101kPa，上標指標準狀態(tài))壓力下處于理想氣體（我們周圍的氣體可以近似看作理想氣體）狀態(tài)的氣態(tài)純物質。液體和固體在p壓力下的液態(tài)和固態(tài)純物質。對于一個任意的化學反應：eE+fF-gG+rR其中e、f、g、r為化學計量系數(shù)。若各物質的溫度相同，且均處于熱化學標準狀態(tài)，則g mol G和r mol R的焓與e mol E和f mol F的焓之差,即為該反應在該溫度下的標準摩爾反應焓或標準摩爾反應熱，符號為rH(T),其中下標“r"指反應，“T”指反應時的熱力學溫度,“m”指=1mol，rH的單位為kJ·mol-1。讀作“可賽”，為反應進度，對

13、于反應eE+fFgG+rR，可以寫成:0=gG+rReE-fF=vBBB式中，B代表反應物或產(chǎn)物,vB為相應的化學計量系數(shù)，對反應物取負值，對產(chǎn)物取正值。根據(jù)相關計量標準,對于化學反應0=vBB，若任一物質B物質的量，初始狀態(tài)時為nB0，某一程度時為nB，則反應進度的定義為：B=（nB-nB0）/vB=nB/vB由此可以概括出如下幾點：對于指定的化學計量方程式，vB為定值，隨B物質的量的變化而變化,所以可用度量反應進行的深度。由于vB的量綱為1,nB的單位為mol,所以的單位也為mol。對于反應eE+fF-gG+rR，可以寫出:=nE/vE=nF/vF=nG/vG=nR/vR對于指定的化學計量

14、方程式，當nB的數(shù)值等于vB時，則=1mol。焓（）及焓變（)與等壓熱效應（qp)的關系在等壓,只做體積功條件下:u = qp + w = qp p（v2 v1）u = qp + pv1 pv2qp = (u2+ pv2 （u1+ pv1)含 H = u + pv （H 定義為焓，是狀態(tài)函數(shù))則 qp = H2 H1 = H結論：等壓，只做體積功條件下（化學反應通常屬此種情況)，體系焓變（H)在數(shù)值上等于等壓熱效應（p）。焓變是與化學反應的起始狀態(tài),終止狀態(tài)有關，與物質所處環(huán)境的壓強,溫度等因素有關，與化學反應的過程無關。2、熵熵物理名詞,用熱量除溫度所得的商,標志熱量轉化為功的程度 entr

15、opy物理意義：物質微觀熱運動時,混亂程度的標志。熱力學中表征物質狀態(tài)的參量之一,通常用符號S表示。在經(jīng)典熱力學中，可用增量定義為dS(dQ/T),式中T為物質的熱力學溫度；dQ為熵增過程中加入物質的熱量。下標“可逆”表示加熱過程所引起的變化過程是可逆的.若過程是不可逆的，則dS（dQ/T)不可逆.單位質量物質的熵稱為比熵，記為s。熵最初是根據(jù)熱力學第二定律引出的一個反映自發(fā)過程不可逆性的物質狀態(tài)參量。熱力學第二定律是根據(jù)大量觀察結果總結出來的規(guī)律，有下述表述方式:熱量總是從高溫物體傳到低溫物體,不可能作相反的傳遞而不引起其他的變化；功可以全部轉化為熱，但任何熱機不能全部地、連續(xù)不斷地把所接受

16、的熱量轉變?yōu)楣Γ礋o法制造第二類永動機）;在孤立系統(tǒng)中，實際發(fā)生的過程總使整個系統(tǒng)的熵值增大,此即熵增原理.摩擦使一部分機械能不可逆地轉變?yōu)闊?，使熵增加。熱量dQ由高溫(T1)物體傳至低溫(T2）物體，高溫物體的熵減少dS1=dQ/T1，低溫物體的熵增加dS2=dQ/T2，把兩個物體合起來當成一個系統(tǒng)來看,熵的變化是dSdS2dS10，即熵是增加的。個人收集整理,勿做商業(yè)用途個人收集整理，勿做商業(yè)用途 物理學上指熱能除以溫度所得的商，標志熱量轉化為功的程度。 科學技術上泛指某些物質系統(tǒng)狀態(tài)的一種量度，某些物質系統(tǒng)狀態(tài)可能出現(xiàn)的程度。亦被社會科學用以借喻人類社會某些狀態(tài)的程度。 在信息論中，熵表

17、示的是不確定性的量度。只有當你所使用的那個特定系統(tǒng)中的能量密度參差不齊的時候，能量才能夠轉化為功，這時,能量傾向于從密度較高的地方流向密度較低的地方，直到一切都達到均勻為止。正是依靠能量的這種流動，你才能從能量得到功.江河發(fā)源地的水位比較高，那里的水的勢能也比河口的水的勢能來得大。由于這個原因，水就沿著江河向下流入海洋。要不是下雨的話，大陸上所有的水就會全部流入海洋,而海平面將稍稍升高?？倓菽苓@時保持不變。但分布得比較均勻。正是在水往下流的時候，可以使水輪轉動起來,因而水就能夠做功。處在同一個水平面上的水是無法做功的,即使這些水是處在很高的高原上，因而具有異常高的勢能，同樣做不了功.在這里起決

18、定性作用的是能量密度的差異和朝著均勻化方向的流動。熵是混亂和無序的度量。熵值越大，混亂無序的程度越大。我們這個宇宙是熵增的宇宙。熱力學第二定律體現(xiàn)的就是這個特征。生命是高度的有序,智慧是高度的有序，在一個熵增的宇宙為什么會出現(xiàn)生命？會進化出智慧？(負熵）。熱力學第二定律還揭示了：局部的有序是可能的，但必須以其他地方的更大無序為代價。人生存，就要能量，要食物，要以動植物的死亡(熵增)為代價。萬物生長靠太陽。動植物的有序又是以太陽核反應的衰竭(熵增）或其他形式的熵增為代價的.人關在完全封閉的鉛盒子里，無法以其他地方的熵增維持自己的負熵。在這個相對封閉的系統(tǒng)中，熵增的法則破壞了生命的有序.熵是時間的

19、箭頭，在這個宇宙中是不可逆的。熵與時間密切相關.如果時間停止“流動”，熵增也就無從談起.“任何我們已知的物質能關住”的東西，不是別的,就是“時間”。低溫關住的也是“時間”。生命是物質的有序“結構".“結構”與具體的物質不是同一個層次的概念。就像大廈的建筑材料和大廈的式樣不是同一個層次的概念一樣。生物學已經(jīng)證明,凡是上了歲數(shù)的人，身體中的原子,已經(jīng)沒有一個是剛出生時候的了。但是，你還是你，我還是我，生命還在延續(xù)。倒是死了的人，沒有了新陳代謝，身體中的分子可以保留很長時間。意識是比生命更高層次的有序，可以在生命之間傳遞.說到這里，我想物質與意識的層次關系應該比較清楚了.本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，

20、請勿用作商業(yè)用途個人收集整理，勿做商業(yè)用途不管對哪一種能量來說，情況都是如此。在蒸汽機中,有一個熱庫把水變成蒸汽，還有一個冷庫把蒸汽冷凝成水。起決定性作用的正是這個溫度差。在任何單一的、毫無差別的溫度下不管這個溫度有多高-是不可能得到任何功的。“熵”（entropy)是德國物理學家克勞修斯（Rudolf Clausius， 1822 1888)在1850年創(chuàng)造的一個術語，他用它來表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度。能量分布得越均勻，熵就越大。如果對于我們所考慮的那個系統(tǒng)來說，能量完全均勻地分布，那么，這個系統(tǒng)的熵就達到最大值。在克勞修斯看來，在一個系統(tǒng)中，如果聽任它自然發(fā)展,那么，能量差總

21、是傾向于消除的。讓一個熱物體同一個冷物體相接觸，熱就會以下面所說的方式流動:熱物體將冷卻，冷物體將變熱，直到兩個物體達到相同的溫度為止。如果把兩個水庫連接起來,并且其中一個水庫的水平面高于另一個水庫，那么，萬有引力就會使一個水庫的水面降低,而使另一個水面升高,直到兩個水庫的水面均等,而勢能也取平為止.因此，克勞修斯說，自然界中的一個普遍規(guī)律是：能量密度的差異傾向于變成均等。換句話說，“熵將隨著時間而增大”.對于能量從密度較高的地方向密度較低的地方流動的研究，過去主要是對于熱這種能量形態(tài)進行的。因此,關于能量流動和功能轉換的科學就被稱為“熱力學"，這是從希臘文“熱運動”一詞變來的。人們

22、早已斷定，能量既不能創(chuàng)造,也不能消滅。這是一條最基本的定律；所以人們把它稱為“熱力學第一定律"?？藙谛匏顾岢龅撵仉S時間而增大的說法，看來差不多也是非?；镜囊粭l普遍規(guī)律，所以它被稱為“熱力學第二定律"。描述熱力學系統(tǒng)的重要態(tài)函數(shù)之一。熵的大小反映系統(tǒng)所處狀態(tài)的穩(wěn)定情況，熵的變化指明熱力學過程進行的方向，熵為熱力學第二定律提供了定量表述。為了定量表述熱力學第二定律，應該尋找一個在可逆過程中保持不變，在不可逆過程中單調變化的態(tài)函數(shù)?？藙谛匏乖谘芯靠ㄖZ熱機時，根據(jù)卡諾定理得出了對任意循環(huán)過程都都適用的一個公式,式中Q是系統(tǒng)從溫度為T的熱源吸收的微小熱量，等號和不等號分別對應可逆

23、和不可逆過程?？赡嫜h(huán)的表明存在著一個態(tài)函數(shù)熵，可定義為另一式（參見相關著述）。對于絕熱過程Q0，故S0，即系統(tǒng)的熵在可逆絕熱過程中不變，在不可逆絕熱過程中單調增大。這就是熵增加原理.由于孤立系統(tǒng)內部的一切變化與外界無關，必然是絕熱過程，所以熵增加原理也可表為:一個孤立系統(tǒng)的熵永遠不會減少。它表明隨著孤立系統(tǒng)由非平衡態(tài)趨于平衡態(tài)，其熵單調增大，當系統(tǒng)達到平衡態(tài)時，熵達到最大值。熵的變化和最大值確定了孤立系統(tǒng)過程進行的方向和限度，熵增加原理就是熱力學第二定律。能量是物質運動的一種量度，形式多樣，可以相互轉換。某種形式的能量如內能越多表明可供轉換的潛力越大。熵原文的字意是轉變,描述內能與其他形式能

24、量自發(fā)轉換的方向和轉換完成的程度。隨著轉換的進行，系統(tǒng)趨于平衡態(tài)，熵值越來越大,這表明雖然在此過程中能量總值不變,但可供利用或轉換的能量卻越來越少了。 內能 、 熵和熱力學第一、第二定律使人們對與熱運動相聯(lián)系的能量轉換過程的基本特征有了全面完整的認識。從微觀上說,熵是組成系統(tǒng)的大量微觀粒子無序度的量度,系統(tǒng)越無序、越混亂,熵就越大。熱力學過程不可逆性的微觀本質和統(tǒng)計意義就是系統(tǒng)從有序趨于無序，從概率較小的狀態(tài)趨于概率較大的狀態(tài)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因也很簡單，既自然界通向無序的方法遠多于通向有序的方法，打個比方，讓一群學生在操場上站好隊，需要一些手段，但要他們在操場上亂跑，就很簡單了。信息論中的熵

25、：信息的度量單位。信息論的創(chuàng)始人Shannon在其著作通信的數(shù)學理論中提出了建立在概率統(tǒng)計模型上的信息度量。他把信息定義為“用來消除不確定性的東西”。Shannon公式：I(A)=-logP(A)I(A)度量事件A發(fā)生所提供的信息量,稱之為事件A的自信息，P（A）為事件A發(fā)生的概率。如果一個隨機試驗有N個可能的結果或一個隨機消息有N個可能值，若它們出現(xiàn)的概率分別為p1,p2,，pN,則這些事件的自信息的平均值：H=-SUM（pilog(pi)，i=1，2N。H稱為熵。在信息論中，熵可用作某事件不確定度的量度.信息量越大,體系結構越規(guī)則,功能越完善,熵就越小。利用熵的概念,可以從理論上研究信息的

26、計量 、傳遞 、變換、存儲。此外，熵在控制論、概率論、數(shù)論、天體物理、生命科學等領域也都有一定的應用。在物理學中，玻爾茲曼說：“當能量被減少時，原子就呈現(xiàn)為一種更無序的狀態(tài).”熵是對無序的一種度量：那是一個意義深遠的概念，該概念就來源于玻爾茲曼的新的解釋。另人吃驚的是，可制作一種度量無序的方法，那就是特殊狀態(tài)的概率-在次被定義為原子聚集方式的數(shù)量。他十分精確的表示為：S=KlogWS是熵，它與給定狀態(tài)的概率W的對數(shù)值成正比,K是比例常數(shù)，現(xiàn)在稱為玻爾茲曼常數(shù)。如果不是玻爾茲曼，我們的進步將會倒退幾十年，也許一百年。他那不朽的公式S=KlogW刻在他的墓碑上。熵最早是熱力學上的一個符號，表達的是某一系統(tǒng)內部熱量平均化的程度。而后,這個概念被許多其他學科借用，引伸出更多的概念。但是不管在學科間如何變化，其表達的概念總是一個，就是，系統(tǒng)內部物質分布平均化程度。熵如今已經(jīng)成為一個廣義化的概念而非物理學獨有的了。熵是一個物理概念，以日常語言來說,往往就是失序但熵與常識中的失序有很大的不同熱力學第二定律說的是，封閉系統(tǒng)的熵，總植無法降低所謂封閉系統(tǒng)就是，就是質與能都無法自由進出的系統(tǒng)3、吉布斯自由能吉布斯（18391903）Gibbs，Josiah Willard美國物理學家。1839年2月11日生于紐黑文，1903年