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摘要：固體物理學(xué)是指各種固態(tài)材料，它在人們的生活中普遍存在，且應(yīng)用極為廣泛，而本文就將在此基礎(chǔ)上，對肖特基熱平衡濃度熱力學(xué)平衡條件進(jìn)行分析和討論，并通過計(jì)算的形式得出，肖特基熱平衡濃度學(xué)平衡狀態(tài)就是自由焓降最小的狀態(tài)這一結(jié)論，同時(shí)還闡述了在壓強(qiáng)為大氣壓或壓強(qiáng)足夠低的條件下，自由焓的最低自由衰變就是最低自由能F的計(jì)算結(jié)果。

關(guān)鍵詞：固體物理;平衡態(tài);熱力學(xué)

1相關(guān)理論概述

1.1固體物理學(xué)

研究固體中各種粒子的微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動規(guī)律、物理性質(zhì)及它們之間的關(guān)系的科學(xué)，就是固態(tài)物理，它是物理學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)的重要分支。固態(tài)材料廣泛存在，每一個(gè)時(shí)代的固態(tài)材料、固態(tài)設(shè)備和相關(guān)產(chǎn)品都有自己的特點(diǎn)。近代固體物理學(xué)是在20世紀(jì)的頭40年誕生的。是所有先進(jìn)材料技術(shù)的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻[1]。

1.2平衡態(tài)

在由大量氣體分子組成的體系中，機(jī)械量，如溫度和壓力，通常轉(zhuǎn)化為狀態(tài)變量。盡管布朗運(yùn)動中的每一個(gè)分子只要溫度和壓力不變就會運(yùn)動，但是這個(gè)體系是平衡的嗎？為了解決這一問題本文列舉了化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中的平衡狀態(tài)，試劑的恒定濃度，生態(tài)系統(tǒng)中兩種物種共存的恒定數(shù)量，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的恒定供需。

1.3熱力學(xué)

熱力學(xué)并不關(guān)注由許多微觀粒子構(gòu)成的物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而只關(guān)注系統(tǒng)的熱現(xiàn)象，因?yàn)樗械臒岈F(xiàn)象，以及它們在變化和發(fā)展過程中所觀察到的基本規(guī)律。利用溫度、壓力、體積和濃度等宏觀狀態(tài)可以很好地描述和確定系統(tǒng)的狀態(tài)，這些狀態(tài)是通過對各種熱現(xiàn)象的觀察和實(shí)驗(yàn)而得到的，這些宏觀狀態(tài)之間存在著一定的聯(lián)系，它們的變化是相互制約的;此外，物質(zhì)的性質(zhì)必須具有一些熱的基本規(guī)律，例如熱力學(xué)零定律、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、熱力學(xué)第三定律等。這是現(xiàn)象學(xué)理論的一部分，并由此得出的結(jié)論具有很高的可信度和普遍性[2]。

2平衡態(tài)熱力學(xué)條件的基本分析

熱力學(xué)基本等式與不等式為

在固體物理中，除了壓力膨脹功之外，一般的力作用功都不存在，當(dāng)體積發(fā)生變化時(shí)，可將公式簡化為

對等溫，等壓系統(tǒng)，將上述方程中的自變量 s、 V轉(zhuǎn)化為 T、 P，并得出相應(yīng)的結(jié)果

式中，u-TS+PV是自由能，或吉布斯自由能過程進(jìn)行的方向由決定;

如果自由焓是最小值的狀態(tài)，那么系統(tǒng)就會和自由焓之間形成微妙的平衡，而對于溫度均勻的系統(tǒng)，有

在這些能量中 F=u-ts就是自由能，人們常將其認(rèn)為是亥姆霍茲自由能，在宏觀等溫功處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，過程的進(jìn)行方向由自由能決定[3]。

晶體是一種等溫體系，壓強(qiáng)均勻，晶體空位產(chǎn)生前后，晶體體積由 NΩ（N+ n）Ω增加，外部作功

P0就是大氣壓。該系統(tǒng)并非無宏觀功的等溫系統(tǒng)，在這里，它的平衡狀態(tài)不能由最小自由能F進(jìn)行判斷，此時(shí)的平衡與最小自由焓Φ相等，當(dāng)晶體的空位有n個(gè)時(shí)，自由焓Φ：

其中

Φ0=U0+p0NΩ是晶體自由焓，但是是無空位的狀態(tài);

U0是內(nèi)能，晶體空間封閉不自由，

ω是自由空間的覆蓋能。

通過從n導(dǎo)出上述公式，我們得到空位數(shù)，如果空位焓Φ是最小的，其式為：

下面作一定量分析.1 eV=1.6×10-19 J，它是一個(gè)空位形成能ω的典型數(shù)值，1 nm3是常規(guī)無機(jī)晶體原胞體積Ω的數(shù)量級，大氣壓p0=1.013×105 Pa，則

即空位形成能ω大于p03個(gè)數(shù)量級，所以ω +p0Ω≈ω，故式（9）可以寫為

3分析和結(jié)論

與肖特基熱平衡濃度問題相似，熱力學(xué)平衡條件對螺旋槳效應(yīng)濃度問題有限制，有限固溶體問題，固體物理中連續(xù)固溶體和高溫熔體的相平衡應(yīng)為最小自由焓Φ;最小自由焓Φ條件適用于壓力通常是大氣壓，體積變化很小。式（2）可簡化為

如果系統(tǒng)的溫度恒等，就可以將以上公式的自變量S轉(zhuǎn)換為T：

固體中等溫過程進(jìn)行的方向由決定，

4結(jié)論

也就是說，固體物理中的某些平衡態(tài)，熱力學(xué)平衡條件常以自由能 F最小作為判斷，系統(tǒng)要想達(dá)到平衡狀態(tài)就需要達(dá)到最小自由能 F=U-TS。

參考文獻(xiàn)

[1]夏炎，吳昕翀.局部熱力學(xué)平衡態(tài)電弧等離子體的電導(dǎo)率計(jì)算研究[J].電氣開關(guān)，2020，58（2）：19-23.

[2]楊世顯.耦合擴(kuò)散的非平衡態(tài)熱力學(xué)的數(shù)學(xué)理論[D].重慶：重慶大學(xué)，2018.

（四川輕化工大學(xué)?644000）