8. 热力学响应函数与数学关系
8.1 热响应函数
基本定义
-
热膨胀系数:
αp=V1(∂T∂V)p
理想气体:αp=T1
-
等温压缩率:
κT=−V1(∂P∂V)T
理想气体:κT=P1
-
热容关系:
Cp−Cv=TVκTαp2=NkB
其中 kB≈1.4×10−23 J/K 为玻尔兹曼常数
8.2 热力学第二定律
两种等价表述
-
开尔文表述(不可能有完美热机):
不存在其唯一结果是将热量完全转化为功的过程
-
克劳修斯表述(不可能有完美制冷机):
不存在其唯一结果是将热量从低温物体传到高温物体的过程
热机效率
η=QHW=QHQH−QC≤1
8.3 熵与热力学势
熵的定义
S(B)−S(A)=∫ABTdQrev
微分形式:
dS=TdQrev
基本热力学关系
dE=TdS−PdV+μdN
热力学势
势函数 |
定义 |
微分形式 |
自然变量 |
亥姆霍兹自由能 F |
F=E−TS |
dF=−SdT−PdV |
(T,V) |
吉布斯自由能 G |
G=E−TS+PV |
dG=−SdT+VdP |
(T,P) |
巨势 Ω |
Ω=E−TS−μN |
dΩ=−SdT−PdV−Ndμ |
(T,V,μ) |
8.4 热力学恒等式
吉布斯-杜亥姆关系
SdT−VdP+Ndμ=0
麦克斯韦关系
(∂V∂T)S=−(∂S∂P)V
(∂V∂S)T=(∂T∂P)V
(∂P∂S)T=−(∂T∂V)P
8.5 平衡条件
系统平衡判据
约束条件 |
极值判据 |
应用实例 |
孤立系统 |
δS=0,S 取极大值 |
自发过程 |
等温定容 |
δF=0,F 取极小值 |
相平衡 |
等温定压 |
δG=0,G 取极小值 |
化学反应 |
化学平衡条件
μw=μs
其中 μw 和 μs 分别为水和蒸汽的化学势
8.6 广延性与欧拉关系
广延性原理
E(λS,λV,λN)=λE(S,V,N)
欧拉方程
E=TS−PV+μN
8.7 应用实例
化学势随温度变化
(∂T∂μ)V=−(∂N∂S)T,V
熵随体积变化
(∂V∂S)T=(∂T∂P)V
磁化系统
(∂B∂S)T=(∂T∂M)B
其中 B 为磁场强度,M 为磁化强度