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        初析固體物理學(xué)中平衡態(tài)的熱力學(xué)條件

        2021-06-11 16:32:11文志
        錦繡·上旬刊 2021年3期

        文志

        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)平衡條件進行分析和討論,并通過計算的形式得出,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,同時還闡述了在壓強為大氣壓或壓強足夠低的條件下,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,每一個時代的固態(tài)材料、固態(tài)設(shè)備和相關(guān)產(chǎn)品都有自己的特點。近代固體物理學(xué)是在20世紀的頭40年誕生的。是所有先進材料技術(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,機械量,如溫度和壓力,通常轉(zhuǎn)化為狀態(tài)變量。盡管布朗運動中的每一個分子只要溫度和壓力不變就會運動,但是這個體系是平衡的嗎?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,因為所有的熱現(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)象的觀察和實驗而得到的,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,當體積發(fā)生變化時,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,人們常將其認為是亥姆霍茲自由能,在宏觀等溫功處于停止狀態(tài)時,過程的進行方向由自由能決定[3]。

        晶體是一種等溫體系,壓強均勻,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進行判斷,此時的平衡與最小自由焓Φ相等,當晶體的空位有n個時,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,它是一個空位形成能ω的典型數(shù)值,1 nm3是常規(guī)無機晶體原胞體積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)要想達到平衡狀態(tài)就需要達到最小自由能 F=U-TS。

        參考文獻

        [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)率計算研究[J].電氣開關(guān),2020,58(2):19-23.

        [2]楊世顯.耦合擴散的非平衡態(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)

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