知识点-热力学与材料热力学部分

热力学与材料热力学部分热力学：用能量转化和守恒的观点来研究物质热运动的客观规律；以实验题。热力学研究能(energy)和能的转变(transformations)规律材料研究的每个过程离不开热力学1、材料服役性能2、材料制备3、材料微观组织材料热力学是材料科学的重要基础之一。本规则就是材料热力学。在材料的研究逐渐由“尝试法”走向“定量设计”的今天，材料热力学的学习尤其显得重要。材料热力学是经典热力学和统计热力学理论在材料研究方面的应用，其目晶体缺陷的形成条件等是其主要研究对象。场离子显微镜和高分辨电子显微镜把这一认识推进到了纳米和小于纳米的层次，组织结构形成规律的最主要内容和最主要途径；以为对那些熵、焓、自有能、活又在为下一个技术进步准备基础和条件。别人已经解决的问题，然后由易渐难，循序渐进。通过不断的实际分析与计算，增进对热力学理论的理解，加深对热力学的兴趣，进而有自己的心得和成绩。热力学最基本概念：、焓变enthalpy于该系统的压力的乘积的总和焓是物体的一个热力学能状态函数，焓变即物体焓的变化量。◆焓和焓变焓是一个状态函数,也就是说系统的状态一定,焓的值就定了。焓的定义式是这样的：H=U+pV其中U表示热力学能内能(InternalEnergy)，即系统内部的所有能量p是系统的压力，V是系统的体积(Volume)作为一个描述系统状态的状态函数，焓没有明确的物理意义ΔH(焓变)表示的是系统发生一个过程的焓的增量ΔH=ΔU+Δ（pV）在恒压条件下，焓变可以表示过程的热力学能变◆相关知识在介绍焓之前需要了解一下分子热运动、热力学能和热力学第一定律：1827布朗把非常细小的花粉放在水面上并用显微镜观察，原来花粉在水面运动是受到各个方向水分子朗运动，布朗运动表明液体分子在不停地做无规则运动。从实验中可以观察到，布朗运动随着温度的升高而愈加剧烈。这表示分子的无规则运动跟温度有关系，所以通常把分子的这种运动叫做分子的热运动。在热学中，分子原子离子和原子团做热运动时遵从相同的规律，所以统称为分子。做热运动的分子也具有动能有关的宏观量——分子间存在相互作用力，即化学上所说的分子间作用力（范德华力r0斥力的变化幅度相对较大，所以分子间距大于r时表现为引力，小于r时表现00势能时，分子间距也发生变化，所以分子势能同物体的体积有关系。叫做内能。热力学能与动能、势能一样，是物体的一个状态量。改变物体内能的方式有两个：做功和热传递。出热量，则外界对其做功等于其热力学能的增量：ΔU=W1如果物体对外界做功，则W为负值，热力学能增加量ΔU1也为负值，表示热力学能减少。等于其热力学能的增量：ΔU=Q2如果物体放热，则Q为负值，热力学能增加量ΔU也为负值，表示热力学2能减少。学能的增量等于外界对物体做功加上物体从外界吸收的热量，即：ΔU=ΔU+ΔU=Q+W12因为热力学能U是状态量，所以：ΔU=ΔU末态ΔU初态=Q+W上式即热力学第一定律的表达式。化学反应都是在一定条件下进行的，其中以恒容与恒压最为普遍和重要。W=0ΔU=Q恒容和只做体积功的特点，Q就只决定于系统的初末状态。在敞口容器中进行的化学反应就是恒压过程。所谓横压是制系统的压强p等于环境压强p外，并保持恒定不变，即p=p外常数。由于过程恒压和只做体积功，所以：W=W体积=-p外(V-V)=-(pV-pV)212211其中W为外界对系统做的功，所以系统对外做功为负。压强乘以体积的改变量是系统对外做的功，可以按照p=F/S，V=Sh，∴Fh=pV来理解。将其代入热一定律表达式得：-W=U-U+(pV-pV)=(U+pV)-(U+pV)212211222111因为U+pV，外界压强p和体积——焓，并用符号H表示，所以上式可变为：Q=H-H=ΔH21和只做体积功的特点，Q就只决定于系统的初末状态。焓的物理意义可以理解为恒压和只做体积功的特殊条件下，Q=ΔH，即反应热，则物质吸热后温度升高，ΔH>0，所以物质在高温时的焓大于它在低温时的焓。又如对于恒压下的放热化学反应，ΔH<0，所以生成物的焓小于反应物的焓。在化学反应中，因为H是状态函数，所以只有当产物和反应物的状态确定后，ΔH才有定值。为把物质的热性质数据汇集起来，以便人们查用，所以很有科学家们提出了热力学标准状态的概念。热力学标准状态也称热化学标准状态，具体规定为：气体——在p（101kPa，上标θ指标准状态）压力下处于理想气体（我们周θ围的气体可以近似看作理想气体）状态的气态纯物质。液体和固体——在p压力下的液态和固态纯物质。θ对于一个任意的化学反应：——→gG+rR其中、、、r为化学计量系数。若各物质的温度相同，且均处于热化学标准状态，则gmolG和rmolR的焓与emolE和fmolF的焓之差，即为该反ΔrH(T)―r‖指反应，指反应时的热力学温度，指ξ=1mol，ΔrH的单位为kJ·mol-1。ξ读作可赛，为反应进度，对于反应——→gG+rR，可以写成：0=gG+rR-eE-fF=∑vBBB式中，BvB为相应的化学计量系数，对反应物取负值，0=∑vBBB物质的量，初始状态时为，某一程度时为nB，则反应进度ξ的定义为：BnB0)/vB=ΔnB/vB由此可以概括出如下几点：对于指定的化学计量方程式，vB为定值，ξ随B物质的量的变化而变化，所以可用ξ度量反应进行的深度。由于vB的量纲为1，ΔnB的单位为mol，所以ξ的单位也为。对于反应——→gG+rR，可以写出：ξ=ΔnE/vE=ΔnF/vF=ΔnG/vG=ΔnR/vR对于指定的化学计量方程式，当ΔnB的数值等于vB时，则ξ=1mol。焓（Ｈ）及焓变（△Ｈ）与等压热效应（qp）的关系在等压，只做体积功条件下：Δu=qp+w=qp–p(v2–v1)Δu=qp+pv1–pv2qp=(u2+pv2–(u1+pv1)含H=u+pv(H定义为焓，是状态函数)则qp=H–H=ΔH21）在数值上等于等压热效应（Ｑp焓变是与化学反应的起始状态,终止状态有关,与物质所处环境的压强,温度等因素有关,与化学反应的过程无关.、熵熵物理名词,用热量除温度所得的商,标志热量转化为功的程度[entropy]物理意义：物质微观热运动时，混乱程度的标志。热力学中表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示。在经典热力学中，可用增量定义为dS＝(dQ/T)，式中T为物质的热力学温度dQ为熵增过程中加可逆不可逆的，则dS＞(dQ/T)不可逆。单位质量物质的熵称为比熵，记为s。熵最初值增大，此即熵增原理。摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热，使熵增加。热量dQ由高温(T1)物体传至低温(T)物体，高温物体的熵减少dS=dQ/T，低温物211体的熵增加dS=dQ/T，把两个物体合起来当成一个系统来看，熵的变化是dS22＝dS－dS＞0，即熵是增加的。21◎物理学上指热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。◎科学技术上泛指某些物质系统状态的一种量度，某些物质系统状态可能出现的程度。亦被社会科学用以借喻人类社会某些状态的程度。◎在信息论中，熵表示的是不确定性的量度。能量都达到均匀为止。正是依靠能量的这种流动，你才能从能量得到功。江河发源地势能匀。匀化方向的流动。熵增的宇宙。热力学第二定律为代价。人生存，就要能量，要食物，要以动植物的死亡熵增为代价。万物生代价的。人关在完全封闭的铅盒子里，无法以其他地方的熵增维持自己的负熵。这个宇宙中是不可逆的。熵与时间密切相关。如果时间停止流动，熵增也就无从谈起。任何我们已知的物质能关住的东西，不是别的，就是时间。低温关住的也是时间。生命是物质的有序结构。结构与具体的物质不是同一个层学已经证明，凡是上了岁数的人，身体中的原子,已经没有一个是刚出生时候的了。但是，你还是你，我还是我，生命还在延续。倒是死了的人，没有了新陈代意识是比生命命之间传递。说到这里，我想物质与意识的层次关系应该比较清楚了。单一的、毫无差别的温度下——不管这个温度有多高——是不可能得到任何功的。熵‖(entropy)是德国物理学家克劳修斯(RudolfClausius,1822–1888)在1850地分布，那么，这个系统的熵就达到最大值。在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。如果把而势能也取平为止。成均等。换句话说，熵将随着时间而增大。热力学，这是从希腊文―热运动一词变来的。人们早已断定，能量既不能创造，也不能消灭。这是一条最基本的定律；所以人们把它称为热力学第一定律。普遍规律，所以它被称为热力学第二定律。描述热力学系统的重要态函数之一。熵的大小反映系统所处状态的稳定情了对任意循环过程都都适用的一个公式，式中Q是系统从温度为T的热源吸收对于绝热过程＝0，故S≥0，即系统的熵在可逆绝热过程中不变，在不可和限度，熵增加原理就是热力学第二定律。越来越少了。内能、熵和热力学第一、第二定律使人们对与热运动相联系的能量转换过程的基本特征有了全面完整的认识。于无序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。方法，打个比方，让一群学生在操场上站好队，需要一些手段，但要他们在操场上乱跑，就很简单了。Shannon的数学理论》中提出了建立在概率统计模型上的信息度量。他把信息定义为用来消除不确定性的东西。Shannon公式：I(A)=-logP(A)度量事件A发生所提供的信息量，称之为事件A的自信息，P(A)为事件A发生的概率。如果一个随机试验有N个可能的结果或一个随机消息有N个可能值，若它们出现的概率分别为p1,p2,…pN,则这些事件的自信息的平均值：SUM(pi*log(pi)),i=1,2…N。H称为熵。则，功能越完善，熵就越小。利用熵的概念，可以从理论上研究信息的计量、传递、变换、存储。此外，熵在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域也都有一定的应用。在物理学中，玻尔兹曼说：当能量被减少时，原子就呈现为一种更无序的状态。熵是对无序的一种度量：那是一个意义深远的概念，该概念就来源于玻态的概率——在次被定义为原子聚集方式的数量。他十分精确的表示为：S=KlogWS是熵，它与给定状态的概率W的对数值成正比，K是比例常数，现在称为玻尔兹曼常数。如果不是玻尔兹曼，我们的进步将会倒退几十年，也许一百年。他那不朽的公式S=KlogW刻在他的墓碑上。熵最早是热力学上的一个符号，表达的是某一系统内部热量平均化的程度。何变化，其表达的概念总是一个，就是，系统内部物质分布平均化程度。熵如今已经成为一个广义化的概念而非物理学独有的了。系统就是，就是质与能都无法自由进出的系统．、吉布斯自由能吉布斯（1839～1903）Gibbs，JosiahWillard美国物理学家。1839年2月111903年卒于同地。19岁毕业于耶鲁大学，成为耶鲁的工程学研究生，1863年取得美国首批博士学位，并留校教授拉丁文和自然哲学。1866～1869年去欧洲进修，就学于马格努斯、K.基尔霍夫和H.von亥姆霍兹等。他是美国科学院、美国艺术和科学研究院以及欧洲14个科学机构的院士或通讯院士，并接受过一些名誉学衔和奖章。1869年回国后一直在耶鲁大学执教，1871年被任命为数理教授。吉布斯在热力学和统计物理学方面作出了很大贡献。1873年发表了他的第1876年和1878年他先后分两部分发表了最著名1902的分析，他发现正则