知識點熱力學與料熱力學部分

1、知識點熱力學與料熱力學部分作者:日期: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

2、是材料熱力學。在材料的研究逐漸由“嘗試法”走向“定量設計”的今 大，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?，F(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

3、的直接分析才是深刻把握材料 組織結構形成規(guī)律的最主要內容和最主要途徑；以為對那些嫡、始、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

4、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、始變enthalpy始，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始是物體的一個熱力學能狀態(tài)函數(shù)，始變即物體始碼變化量。始和始變始是一個狀態(tài)函數(shù) 也就是說，系統(tǒng)的狀態(tài)一定 的的值就定了。始的定義式是這樣的：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

5、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)，始沒有明確的物理意義A Ht變)表示的是系統(tǒng)發(fā)生一個過程的始的增量A H=A U+0pV)在恒壓條件下，A Ht變)可以表示過程的熱力學能變相關知識在介紹始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

6、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。在熱學中，會£、地£、邕士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 有關的宏觀量一一溫度，就是大量分子熱運動的統(tǒng)計平均值。分子動能

7、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

8、 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：A Ui=W如果物體對外界做功，則 W為負值，熱力學能增加量 A U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：A U2=Q如果物體放熱，則Q為負值，熱力學能增加量 A U2也為負值，表示熱力

9、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收的熱量，即：A U= A1+A U2=Q+W因為熱力學能U是狀態(tài)量，所以：A U=A味態(tài)-AU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，其中以包容與恒壓最為普遍和重要。在密閉容器內的化學反應就是包容過程。 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：A U=Q它表明包容過程的熱等于系統(tǒng)熱力學能的變化，也就是

10、說，只要確定了過程包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，并保持恒定不變，即p=p外二常數(shù)。由于過程恒壓和只做體積功，所以：W=W 體積=-p 外(V2-Vi)=-(p2V2-piVi)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, ；Fh=pV來理解。將其代入熱一定律表達式得：Q= A U-W=U 2-U l+(p2V2-piVl) = (U2+p2V2)-(U 1+piVl)因為U+pV是狀態(tài)函數(shù)(即狀態(tài)量)的組合(即一個

11、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)一一始，并用符 號H表示，所以上式可變?yōu)椋篞=H2-Hi = AH它表明恒壓過程中的熱等于系統(tǒng)始的變化， 也就是說，只要確定了過程包壓 和只做體積功的特點，Q就只決定于系統(tǒng)的初末狀態(tài)。始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=AH,即反應 的熱量變化。因為只有在此條件下，始才表現(xiàn)出它的特性。例如包壓下對物質加 熱，則物質吸熱后溫度升高，A H>0所以物質在高溫時的始大于它在低溫時的 始。又如對于恒壓下的放熱化學反應，A H<0所以生成物的始小于反應物的始。在化學反應中，因為H是狀態(tài)函數(shù)，所

12、以只有當產物和反應物的狀態(tài)確定 后，AH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)也稱熱化學標準狀態(tài)， 具體規(guī)定為：氣體一一在p0 (101kPa,上標8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p0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的始

13、與e mol E和f mol F的始之差，即為該反應在該溫度下的標準摩爾反應始或標準摩爾反應熱，符號為A rH（T）其中下標“r指反應，“ T旨反應時的熱力學溫度，" ml E =1mol A rH勺單位為kJ mol-1。己讀作 用賽”，為反應進度，對于反應 eE+fF> gG+rR可以寫成：0=gG+rR-eE-fF= E vBB B式中，B代表反應物或產物，vB為相應的化學計量系數(shù)，對反應物取負值，對產物取正值。根據(jù)相關計量標準，對于化學反應0=!2vBB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,則反應進度己的定義為：BE =（nnB0）/vB= A n

14、B/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，己隨B物質的量的變化而變化，所以可用己度量反應進行的深度。由于vB的量綱為1, A nB勺單位為mol,所以E的單位也為mol。對于反應eE+fF> gG+rR可以寫出：E = A nE/vE= A nF/vF= A nG/vG= A nR/vR對于指定的化學計量方程式，當 A nB勺數(shù)值等于vB時，則己=1mol始（H）及始變（ H）與等壓熱效應（qp）的關系在等壓，只做體積功條件下：A u = qp + w = qp p(v2 - v1)A u = qp + pv1 pv2 一9qp = (u2+ pv2 -(u1

15、+ pv1)含H = u + pv (H定義為始，是狀態(tài)函數(shù))貝U qp = H2 - Hi = AH結論：等壓，只做體積功條件下（化學反應通常屬此種情況），體系始變（AH） 在數(shù)值上等于等壓熱效應（Q p）。始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、嫡嫡物理名詞，用熱量除溫度所得的商，標志熱量轉化為功的程度entropy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為嫡增過程中加 入物質的熱量。下

16、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。單位質量物質白嫡稱為比嫡，記為 s。嫡最初 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)不斷地把所接受的熱量轉變?yōu)楣Γ?無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)的嫡 值增大，此即嫡增原理。摩擦使一部分機械能不可逆地轉變?yōu)闊?，使嫡增加。?量dQ由高溫（T1）物體傳至低溫（T

17、2）物體，高溫物體的嫡減少dSi=dQ/Ti,低溫物 9體的嫡增加d&=dQ/T2,把兩個物體合起來當成一個系統(tǒng)來看，嫡的變化是dS= dS2dSi>0,即嫡是增加的。 物理學上指熱能除以溫度所得的商,標志熱量轉化為 些的程度。 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,嫡表示的是 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，能星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

18、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。在這里起決定性作用的是能量密度的差異和朝著均 勻化方向的流動。嫡是混亂和無序的度量。嫡值越大，混亂無序的程度越大。我們這個宇宙是 嫡增的宇宙。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

19、度的有序，在一個嫡增的宇宙為什么會出現(xiàn)生命？會進化出智慧？（負嫡）。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 （嫡增）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 （嫡增）或其他形式的嫡增為代價的。人關在完全封閉的鉛盒子里，無法以其他地方的嫡增維持自己的 負嫡。 在這個相對封閉的系統(tǒng)中，嫡增的法則破壞了生命的有序。 嫡是時間的箭頭，在 這個宇宙中是不可逆的。嫡與時間密切相關。如果時間停止流動”，嫡增也就無從談起。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

20、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。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 一一

21、不管這個溫度有多高 一一是不可能得到任何功 的。嫡"（entropy）德國物理學家克勞修斯（Rudolf Clausius, 1822 T888）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，嫡就越大。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)的嫡就達到最大值。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

22、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， 嫡將隨著時間而增大”。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岢龅牡针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

23、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。嫡的大小反映系統(tǒng)所處狀態(tài)的穩(wěn)定情 況，嫡的變化指明熱力學過程進行的方向，嫡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和不可逆過程?？赡嫜h(huán)的表明存在著 一個態(tài)函數(shù)嫡，可定義為另一式（參見相關著述）。對于絕熱過程Q=0,故S>Q即系統(tǒng)的嫡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

24、嫡增加原理。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，所以嫡增加原理也可表為：一個孤立系統(tǒng)的嫡永遠不會減少。它表明隨著孤立系統(tǒng)由非平衡態(tài)趨于平衡態(tài)， 其嫡單調增大，當系統(tǒng)達 到平衡態(tài)時，嫡達到最大值。嫡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，嫡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。 嫡原文的字意是轉變，描述內能與其他形式 能量自發(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)，嫡 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。

25、內能、嫡和熱力學第一、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，嫡是組成系統(tǒng)的大量微觀粒子無序度的量度，系統(tǒng)越無序、越混亂，嫡就越大。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。信息論中的嫡：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”

26、。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：15H=-SUM(pi*log(pi),i=1,2H稱為嫡。在信息論中，嫡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，嫡就越小。利用嫡的概念，可以從理論上研究信息的計量、傳遞、變換、存儲。此外，嫡在控制論、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

27、減少時，原子就呈現(xiàn)為一種更無序的狀態(tài)?！钡帐菍o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是嫡，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。嫡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。嫡如今 已經(jīng)成為一個廣義化的概念而非物理學獨有的了。嫡是一個物理概念，以日常語言來說，往往就是失序.但嫡與常識中的失序 有很大的不同熱力學第二定律說的是， 封閉系統(tǒng)的嫡，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Gibbs, Josiah W川ard美國物理學家。1839年2月11日生于紐黑