8. 热力学响应函数与数学关系

8.1 热响应函数

基本定义

  1. 热膨胀系数

    αp=1V(VT)p\alpha_p = \frac{1}{V} \left( \frac{\partial V}{\partial T} \right)_p

    理想气体:αp=1T\alpha_p = \frac{1}{T}

  2. 等温压缩率

    κT=1V(VP)T\kappa_T = -\frac{1}{V} \left( \frac{\partial V}{\partial P} \right)_T

    理想气体:κT=1P\kappa_T = \frac{1}{P}

  3. 热容关系

    CpCv=TVαp2κT=NkBC_p - C_v = TV \frac{\alpha_p^2}{\kappa_T} = N k_B

    其中 kB1.4×1023 J/Kk_B \approx 1.4 \times 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

  1. 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

  2. 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=WQH=QHQCQH1\eta = \frac{W}{Q_H} = \frac{Q_H - Q_C}{Q_H} \leq 1

8.3 熵与热力学势

熵的定义

S(B)S(A)=ABdQrevTS(B) - S(A) = \int_A^B \frac{dQ_{\text{rev}}}{T}

微分形式:

dS=dQrevTdS = \frac{dQ_{\text{rev}}}{T}

基本热力学关系

dE=TdSPdV+μdNdE = T dS - P dV + \mu dN

热力学势

势函数 定义 微分形式 自然变量
亥姆霍兹自由能 FF F=ETSF = E - TS dF=SdTPdVdF = -S dT - P dV (T,V)(T, V)
吉布斯自由能 GG G=ETS+PVG = E - TS + PV dG=SdT+VdPdG = -S dT + V dP (T,P)(T, P)
巨势 Ω\Omega Ω=ETSμN\Omega = E - TS - \mu N dΩ=SdTPdVNdμd\Omega = -S dT - P dV - N d\mu (T,V,μ)(T, V, \mu)

8.4 热力学恒等式

吉布斯-杜亥姆关系

SdTVdP+Ndμ=0S dT - V dP + N d\mu = 0

麦克斯韦关系

(TV)S=(PS)V\left( \frac{\partial T}{\partial V} \right)_S = -\left( \frac{\partial P}{\partial S} \right)_V

(SV)T=(PT)V\left( \frac{\partial S}{\partial V} \right)_T = \left( \frac{\partial P}{\partial T} \right)_V

(SP)T=(VT)P\left( \frac{\partial S}{\partial P} \right)_T = -\left( \frac{\partial V}{\partial T} \right)_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\delta S = 0SS 取极大值 自发过程
等温定容 δF=0\delta F = 0FF 取极小值 相平衡
等温定压 δG=0\delta G = 0GG 取极小值 化学反应

化学平衡条件

μw=μs\mu_w = \mu_s

其中 μw\mu_wμs\mu_s 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)E(\lambda S, \lambda V, \lambda N) = \lambda E(S, V, N)

欧拉方程

E=TSPV+μNE = TS - PV + \mu N

8.7 应用实例

化学势随温度变化

(μT)V=(SN)T,V\left( \frac{\partial \mu}{\partial T} \right)_V = -\left( \frac{\partial S}{\partial N} \right)_{T,V}

熵随体积变化

(SV)T=(PT)V\left( \frac{\partial S}{\partial V} \right)_T = \left( \frac{\partial P}{\partial T} \right)_V

磁化系统

(SB)T=(MT)B\left( \frac{\partial S}{\partial B} \right)_T = \left( \frac{\partial M}{\partial T} \right)_B

其中 BB 为磁场强度,MM 为磁化强度