平衡态条件
1.2热力学系统的平衡态全解
• 第二种粒子流，它不存在由于成群粒子定向运动所导致的 粒子宏观迁移。 • 例3：扩散现象如图所示:
氧气 • •
氮气
氧氮混合气
对于非化学纯物质，仅有温度压强这两个参量不能全部 反映系统的宏观物征， 还应加上化学组成这一热力学参 量。 扩散就是因为空间各处化学组成不均匀所致。
第三个平衡条件—化学平衡条件: • 系统要建立平衡，还需满足化学平衡条件。 化学平衡条件是指：在无外场作用下系统各部分的 化学组成也应是处处相同的。
如何判断系统是否处于平衡态呢？？
不能单纯把是否“宏观状态不随时间变化”或是否“空间分 布是否处处均匀一致”看作平衡态与非平衡态的判别标准。 问题： • 在静电场中的带电粒子气体达平衡态时其分子数密度（或压 强）沿电场方向是否处处相等？ • 那么静电场中的带电粒子气体将如何分布? • 请问在重力场中的气体是怎样分布的?
热力学参量(坐标)：压强、体积、温度等 热力学与力学的区别 热力学的目的：各热力学参量之间的关系 力学的目的：基于牛顿定律（力学参量） 二、平衡态与非平衡态 1、平衡态 系统的状态由系统的热力学参量（压强、温度、体积等） 来描述。 隐含条件：系统的各个部分的压强与温度都是处处相等的。
例1：自由膨胀实验:
隔板抽走前 的平衡态
隔板抽走后达到 的新平衡态
隔板刚抽走的瞬间系统处于非平衡态。 但是经过并不很长的时间，容器中的气体压强趋于均匀， 且不随时间变化，它已处于平衡态。
对平衡态的定义：
• 在不受外界条件影响下，经过足够长 时间后系统必将达到一个宏观上看来 不随时间变化的状态，这种状态称为 平衡态。
第一章
§1.2 热力学系统的平衡态
作业：
§1.2 一、热力学系统
平衡态和准静态
定义：在不受外界影响的条件下，对 一个孤立系统，经过足够长的时间后， 系统达到一个宏观性质不随时间变化 的状态
用一组统一的宏观量描述状态
P
T
P1 T1
P2 T2
非平衡态
平衡态是热学中的一个理想化模型 实际上的处理：
⑴是否可看作平衡态？
时间足够长，不受外界影响
⑵实在不行可以分小块 ⑶远离平衡态：非线性，耗散结构 我们主要研究平衡态的热学规律
分子数越多，涨落就越小
准静态过程 每一时刻系统都处于平衡态 实际过程的理想化——无限缓 慢 (准 ) “无限缓慢”：系统变化的过程 时间>>驰豫时间
例 气体的准静态压缩
过程时间 ~ 1 秒
3 驰豫 10 s < 时间
例 准静态传热
T2 T1 nT
T1
T1
热库 T1 T
理想气体 宏观定义：严格遵守气体三定律（波 义尔-马略特定律、查理定律、盖-吕 萨克定律） 理想气体温标 实际气体理想化：P 不太高 T 不太低 若不满足上述条件： 在理想气体理论基础上加以修正
非静态过程
T2
T 1n 1T
热库 T1 nT
T1 T
热库
T1 2T
每一微小过程均是平衡过程
描写平衡态的宏观物理量称为物态参 量（态参量） 例如：气体的 P、V、T 一组态参量
描述
对应
一个平衡态
态参量之间的函数关系称为物态 方程 f ( P ,V , T ) 0
注意区分平衡态与稳定态：
Байду номын сангаас绝热壁
系统
平衡态
恒温器1 绝热壁
系统
恒温器2
T1
固体物理学中平衡态的热力学条件分析
收稿日期:2004-06-14;修回日期:2005-02-12 基金项目:教育部国家理科基地创建名牌课程项目;北京师范大学创新研究群体资助项目 作者简介:刘惠民(1956—),男,山东海阳人,北京师范大学物理系工程师.固体物理学中平衡态的热力学条件分析刘惠民,田 强(北京师范大学物理系,北京 100875) 摘要:在具体分析和讨论肖特基缺陷热平衡浓度的热力学平衡条件的基础上,指出其热力学平衡条件是自由焓Φ最小的态;对于固体物理学中采用自由能F 最小作为热力学平衡态的条件进行了分析和讨论,在压强为大气压或压强足够低的条件下,自由焓Φ最小近似为自由能F 最小.关键词:固体物理;平衡态;自由能中图分类号:O 481 文献标识码:A 文章编号:100020712(2005)0620014202 固体物理学在讨论肖特基缺陷(单空位)热平衡浓度、弗仑克尔缺陷热平衡浓度等问题时,采用的热力学平衡条件为自由能F 最小[1～3],在讨论有限固溶体、连续固溶体、高温熔化的相平衡条件时,采用的也是自由能F 最小[4];但是,自由能F 最小是等温不作宏观功的系统达到平衡态的条件,而固体物理学的上述几个问题中,固体的体积都要发生变化,都存在宏观的膨胀功.本文将在具体分析和讨论肖特基缺陷热平衡浓度的热力学平衡条件的基础上,对于固体物理学中采用自由能F 最小作为热力学平衡态的条件进行分析和讨论.1 平衡态热力学条件的基本分析热力学基本等式与不等式为[5]d U ≤T d S -δA(1)对于固体物理学中的上述几个问题,除了体积变化时压强作的膨胀功以外,无其他广义力作功,故上式简化为d U ≤T d S -p d V(2)对于温度与压强均匀的系统,将上式的自变量S 、V 变换为T 、p ,得到d Φ≤-S d T +V d p(3)其中Φ=U -TS +pV 为自由焓,或称为吉布斯自由能.对于等温等压没有非膨胀功的系统,过程进行的方向由d Φ≤0(4)决定;当自由焓Φ达到最小值时,系统达到平衡态,平衡态对应于自由焓Φ最小的态.而对于温度均匀的系统,有d F ≤-S d T -p d V(5)其中F =U -TS 为亥姆霍兹自由能,通常简称为自由能.对于等温不作宏观功的系统,过程进行的方向由d F ≤0(6)决定;当自由能F 达到最小值时,系统达到平衡态,这时,平衡态对应于自由能F 最小的态.2 肖特基缺陷热平衡浓度问题的热力学条件分析 对于有N 个原子的简单晶体,晶体体积为N Ω,其中Ω是原胞体积.在一定温度下,晶体中会存在一定量的空位,即肖特基缺陷,空位数n 由热力学平衡条件来确定.晶体是一个温度与压强均匀的系统,在空位产生的前后,晶体的体积由N Ω增大为(N +n )Ω,对外作功p 0ΔV =p 0n Ω(7)其中p 0是大气压.这不是一个等温不作宏观功的系统,其平衡态不能直接根据自由能F 最小来决定;这时,平衡态对应于自由焓Φ最小的态.对于有n 个空位的晶体,自由焓Φ为Φ=Φ0+nw +k B T ln (N +n )!N !n !+p 0n Ω(8)其中Φ0=U 0+p 0N Ω是晶体无空位时的自由焓,第24卷第6期大 学 物 理Vol.24No.62005年6月COLL EGE PHYSICS J une.2005U 0是晶体无空位时的内能,w 是一个空位的形成能.将上式对n 求导,得到自由焓Φ取极小值时的空位数为n =N exp -w +p 0Ωk B T(9)下面作一定量分析.一个空位形成能w 的典型数值[3]为1eV =116×10-19J ,一般无机晶体原胞体积Ω的数量级为1nm 3,大气压p 0=11013×105Pa ,则p 0Ω=11013×10-22J即p 0Ω比空位形成能w 小3个数量级,所以w +p 0Ω≈w ,故式(9)可以写为n =N exp-w k B T(10)该式与根据自由能F 最小条件得到的结果[1～3]一致.3 分析和结论1)对于肖特基缺陷热平衡浓度问题,固体材料是一个温度与压强均匀的系统,在肖特基缺陷产生的前后,晶体的体积会有一定的变化,压强对外作膨胀功,平衡态对应于自由焓Φ最小的态.在通常的大气压或压强足够低的情况下,由自由焓Φ最小条件得到的肖特基缺陷热平衡浓度与根据自由能F 最小条件得到的结果相一致,换句话说,根据自由能F 最小讨论肖特基缺陷热平衡浓度的条件是压强为大气压或压强足够低.2)与肖特基缺陷热平衡浓度问题类似,固体物理学中的弗仑克尔缺陷热平衡浓度问题和有限固溶体、连续固溶体、高温熔化的相平衡条件等问题,其热力学平衡条件都应是自由焓Φ最小;但是由于通常压强为大气压,且固体体积变化不大,由自由焓Φ最小条件得到的结果可以很好地近似为自由能F 最小条件得到的结果.实际上,对于固体材料,由于压强为大气压或压强足够低且固体体积变化不大,因而p d V 与d U 及T d S 相比较,p d V 通常为小量,可以忽略[6];这时,式(2)可简化为d U ≤T d S (11)对于温度均匀的系统,将上式的自变量S 变换为T ,得到d (U -TS )≤-S d T(12)固体中等温过程进行的方向由d (U -TS )≤0(13)决定,即自由能F =U -TS 达到最小值时,系统达到平衡态.所以,固体物理学中的一些平衡态,经常采用自由能F 最小作为热力学平衡条件.参考文献:[1] 黄昆,韩汝琦.固体物理学[M ].北京:高等教育出版社,1988.543～544.[2] 方俊鑫,陆栋.固体物理学[M ].上海:上海科学技术出版社,1980.157～159.[3] 马本 ,杨先发,等.固体物理基础[M ].北京:高等教育出版社,1992.63～65.[4] 黄昆,韩汝琦.固体物理学[M ].北京:高等教育出版社,1988.572～577.[5] 马本 ,高尚惠,孙煜.热力学与统计物理学[M ].北京:人民教育出版社,1980.56～60.[6] Dekker A J.固体物理学[M ].高联佩译.北京:科学出版社,1965.566～567.The analysis of thermodynamic equilibrium conditions in solid state physicsL IU Hui 2min ,TIAN Qiang(Department of Physics ,Beijing Normal University ,Beijing 100875,China )Abstract :The thermo 2equilibrium density of Schottky defect is discussed.The thermodynamic equilibrium condition should be the minimization of free enthalpy.In the condition of atmosphere or low pressure ,the condi 2tion of the minimization of free enthalpy is approximated to the minimization of free energy.K ey w ords :solid state physics ;equilibrium condition ;free energy第6期 刘惠民等:固体物理学中平衡态的热力学条件分析15。
化学反应中的平衡态
化学反应中的平衡态化学反应是物质发生变化的过程，而化学平衡态则是指反应物与生成物浓度或活性在一段时间内保持相对稳定的状态。
在化学平衡态下，前后反应速率相等，反应物与生成物的浓度保持不变。
本文将探讨什么是化学平衡态以及平衡态的条件和影响因素。
一、平衡态的定义化学平衡态是指在封闭系统内，反应物与生成物之间的相对浓度或活性保持不变的状态。
在平衡态下，正向反应与逆向反应以相同的速率进行，即反应速率相等。
这种相对稳定的状态可以通过化学方程式来表示，如下所示：aA + bB ⇌ cC + dD其中，A和B是反应物，C和D是生成物，a、b、c、d分别代表它们的化学计量系数。
二、平衡态的条件达到化学平衡态需要满足以下两个条件：1. 闭合系统：反应在一个封闭的系统中进行，系统内的物质不能进出。
这是因为外界物质的输入或输出会破坏平衡态，导致反应继续进行。
2. 反应速率相等：正向反应和逆向反应的速率必须相等。
当反应开始时，正向反应速率较快，生成物浓度逐渐增加；而随着反应进行，逆向反应速率也逐渐增大，生成物浓度开始减少。
最终，在一定的时间内，正向反应和逆向反应达到动态平衡，速率相等，浓度或活性相对稳定。
三、平衡态的影响因素平衡态的形成受到以下因素的影响：1. 反应物浓度：当反应物浓度增加时，根据Le Chatelier原理，平衡态会向生成物一侧偏移，以减少反应物的浓度。
相反，当反应物浓度减少时，平衡态会向反应物一侧偏移，以增加反应物的浓度。
2. 温度：温度的变化会导致反应速率的改变，从而影响平衡态。
在温度升高的条件下，反应速率增加，平衡态会向吸热方向偏移；而在温度降低的条件下，反应速率减慢，平衡态会向放热方向偏移。
3. 压力（对于气体反应）：只有当反应物和生成物中至少有一个是气体时，压力才会对平衡态产生影响。
当压力增加时，平衡态会向压缩物质的一侧偏移，以减少压力。
当压力减小时，平衡态会向非压缩物质的一侧偏移。
4. 催化剂：催化剂可以加速正向和逆向反应的速率，但对平衡态没有实质性影响。
平衡状态的实现条件
平衡状态的实现条件平衡状态是一种自然状态，在物理、化学、生物、社会等领域中都有广泛的应用。
一个具有平衡状态的系统通常可以保持稳定，不会随着外部因素的变化而产生大的波动或震荡。
在实际应用中，我们需要对一个系统进行调节和控制，使其达到平衡状态，从而保证其可靠性和稳定性。
本文将介绍平衡状态的实现条件。
1.1 热力学平衡的定律热力学平衡定律表明，在接触的两体间达到热平衡时，它们的温度相等，这是热力学平衡的基本条件。
只有在各系统的温度相等时，才能实现热力学平衡。
如果两个系统的温度不同，就需要通过热交换来调节它们的温度。
在实际工程中，锅炉的出水需要经过换热器来调节其温度，以满足工艺要求。
热力学平衡状态满足熵增定律，即系统总的熵值达到了最大值。
这意味着，当系统处于平衡状态时，它的熵值不会再发生变化，系统中的各部分之间的物理量分布也达到了最稳定的状态。
如果系统中的物理量分布不稳定，就会引起系统的波动或震荡。
化学平衡定律描述了在达到化学平衡时，反应物和产物之间是保持一定的比例关系的。
只有在反应物和产物之间保持一定的比例关系下，化学反应才能达到平衡状态。
对于一个含有多种化学物质的混合物，如果混合物中化学物质的浓度达到了稳定状态，就可以认为它达到了化学平衡。
2.1 保证受力平衡在力学系统中，每个部分的受力情况应该得到充分的考虑。
如果系统中有任何一个部分的受力不平衡，就会引起系统的运动或变形。
为了达到平衡状态，我们需要通过调节各部分之间的受力，保证受力平衡。
2.2 稳定的支撑结构当一个物体处于不同的支撑结构下时，它的平衡状态也会发生变化。
在实际工程中，为了保证物体的稳定，我们需要设计出稳定的支撑结构，保证物体可以保持受力平衡。
在建造桥梁或楼房时，需要考虑它们所受的力，设计出合适的支撑结构，保证它们处于稳定的平衡状态。
2.3 摩擦力的作用在力学系统中，摩擦力也是影响平衡状态的一个重要因素。
当一个物体和其支撑结构之间的摩擦力足够大时，物体就可以达到平衡状态。
化学平衡了解平衡态的特征与条件
化学平衡了解平衡态的特征与条件化学平衡是指化学反应出现的正向反应与逆向反应的速率相等的状态。
在平衡态下，反应物转化为生成物的速率与生成物转化为反应物的速率相等。
学习化学平衡的特征与条件对于理解化学反应的动态过程具有重要意义。
本文将探讨平衡态的特征和条件。
一、平衡态的特征1. 宏观上无净反应速率：在平衡态下，正向反应和逆向反应的速率相等，即反应物和生成物之间的转化达到一定的平衡状态。
这意味着在平衡态下，反应物和生成物的浓度将保持稳定，不再发生净变化。
2. 微观上仍有反应进行：虽然在宏观上无净反应速率，但在微观层面下，正向反应和逆向反应仍然进行着，并且相互抵消。
这意味着在平衡态下，物质仍然在转化，只是在总体上转化速率相等。
3. 物质浓度保持稳定：在平衡态下，反应物和生成物的浓度保持稳定，不再发生明显的变化。
虽然分子间的转化仍在进行，但转化速率相等，没有明显的净转化。
4. 平衡常数不变：平衡常数是描述平衡态下反应物与生成物之间浓度关系的数值常量。
在特定温度下，平衡常数是固定的，不受初始浓度的影响。
平衡常数的大小可以反映反应的偏向性，大于1表示正向反应偏盛，小于1表示逆向反应偏盛。
二、平衡态的条件1. 封闭体系：在研究化学平衡时，需要排除外界因素的影响，以保持系统的封闭性。
通过在密闭容器中进行反应，可以避免物质的进出，保证反应系统与外界的孤立性，从而获得可靠的平衡态。
2. 定常温度：温度对于平衡态的形成和维持至关重要。
在一定温度下，反应物与生成物的速率达到平衡，这是因为在特定温度下，反应速率与温度密切相关。
变化温度会导致平衡位置的改变，但平衡态的特征与条件仍然存在。
3. 反应物浓度：反应物浓度对于平衡态的形成和移位具有重要影响。
通过增加或减少反应物浓度，可以改变平衡位置，使反应向正向或逆向偏移。
这是由于Le Chatelier原理所确定的，在平衡态下，系统会对外界的扰动做出相应的反应。
4. 压强与体积：对于气相反应而言，压强与体积亦是影响平衡态的因素。
高一物理平衡态系统知识点
高一物理平衡态系统知识点平衡态系统是指系统在不受外界干扰的情况下保持着稳定的状态。
在物理学中，平衡态系统是一个重要的概念，它涉及到力学、热学、光学等多个领域。
本文将介绍高一物理中与平衡态系统相关的几个核心知识点。
一、平衡条件在力学中，平衡态系统的平衡条件可以分为两种，即静力学平衡和动力学平衡。
1. 静力学平衡静力学平衡是指物体在受力作用下，没有任何加速度的状态。
在静力学平衡下，物体受到的合力为零，同时，物体的力矩也要为零。
满足这两个条件的物体才能保持平衡。
2. 动力学平衡动力学平衡是指物体在受到力的作用下，加速度为零的状态。
与静力学平衡不同的是，动力学平衡时物体可以有合力，但合力的方向和大小要使物体保持静止或匀速直线运动。
二、力矩和力偶力矩是描述力对物体旋转效果的物理量。
力矩的大小等于力的大小与力臂的乘积，力矩的方向垂直于力臂和力的夹角。
力矩有正负之分，当力矩为正时，物体会产生顺时针方向的转动，当力矩为负时则产生逆时针方向的转动。
力偶是一对大小相等、方向相反、共线的力构成的力对。
力偶的力矩为零，但它们对物体的转动有影响。
力偶可以通过改变物体绕其中心轴的转动惯量来改变物体的转动状态。
三、弹簧的简谐振动弹簧的简谐振动是指弹簧在外力作用下以定频率、定振幅进行的振动。
弹簧振动的平衡位置是指弹簧在没有外力作用时处于的位置，也被称为原点位置。
当物体离开平衡位置时，弹簧就会受到回弹的作用力，使物体向平衡位置靠拢。
弹簧振动的频率和周期与弹簧的弹性系数和质量有关。
频率越高，周期越短，反之亦然。
弹簧振动是一个重要的物理现象，广泛应用于钟表、测力仪器等领域。
四、稳定平衡和不稳定平衡稳定平衡是指系统受到微小扰动后能够自动恢复到平衡状态的情况。
在稳定平衡下，系统具有振动的能力，并且振动幅度越大，系统恢复到平衡状态的速度越快。
不稳定平衡是指系统受到微小扰动后无法自动恢复到平衡状态，而是趋向于发生一个新的平衡状态或失去平衡。
选修四2.3.1化学平衡状态
目
CONTENCT
录
• 化学平衡状态的概述 • 化学平衡状态的建立 • 化学平衡状态的移动 • 化学平衡常数化学平衡状态的定义
化学平衡状态是指在一定条件下，可逆反应进行到正、逆反应速 率相等且各组分浓度不再改变的状态。
05
化学平衡状态的实践应用
工业生产中的化学平衡
化学平衡在工业生产中具有重要应用，如合成氨、硫酸、硝酸等。通过控制反应 条件，如温度、压力和浓度，可以促使化学反应向所需方向进行，提高产物的产 率和纯度。
在工业生产中，化学平衡的应用还包括优化反应条件，降低能耗和减少废弃物排 放。通过平衡理论的应用，可以提高生产效率和经济效益。
03
化学平衡状态的移动
浓度对化学平衡的影响
总结词
浓度是影响化学平衡状态的重要因素之一。
详细描述
当反应物或生成物的浓度发生变化时，化学平衡状态会被打破，平衡会向减弱 这种变化的方向移动。增加反应物的浓度或减小生成物的浓度，平衡会向正反 应方向移动；反之，平衡会向逆反应方向移动。
压力对化学平衡的影响
可逆反应
只有在可逆反应中才能达到平 衡状态，不可逆反应无法达到 平衡状态。
化学平衡状态的意义
指导工业生产
了解化学平衡状态有助于优化工业生产过程，提高 产率和资源利用率。
促进环境保护
通过研究化学平衡状态，可以减少有害物质的排放 ，促进环境保护。
推动学科发展
化学平衡状态是化学学科的重要概念之一，对深入 理解化学反应机理和推动学科发展具有重要意义。
04
化学平衡常数
化学平衡常数的定义
总结词
化学平衡常数是指在一定温度下，可逆反应达到平衡状态时，生 成物浓度的系数次幂与反应物浓度的系数次幂之比。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
平衡态条件
平衡态条件是指系统处于平衡态的一组条件。
平衡态是指系统的宏观性质在一段时间内保持不变的状态。
平衡态的出现对系统的稳定性和可预测性都非常重要。
要理解平衡态条件，我们首先需要了解系统的宏观特性和微观粒子之间的相互作用。
系统的宏观性质包括温度、压力、体积、物质的组成等。
这些宏观性质是由系统的微观粒子之间的相互作用所决定的。
例如，在理想气体中，气体分子之间的相互作用可以近似为无相互作用。
在这种情况下，气体分子的运动可以用统计力学的方法描述，可以得到气体的状态方程。
对于理想气体而言，平衡态条件是气体分子的平均动能与宏观温度之间的关系。
而对于非理想气体或者其他相对复杂的系统，它们的平衡态条件则往往更为复杂。
例如，对于液体或固体，微观粒子之间的相互作用比较复杂，通常需要使用更加复杂的统计力学方法来描述系统的平衡态条件。
为了使系统达到平衡态，通常需要满足以下几个条件：
1. 系统的宏观性质保持不变：在平衡态下，系统的宏观性质（如温度、压力等）在一段时间内保持不变。
这意味着微观粒子之间的相互作用达到了一种平衡状态，不再发生宏观性质的变化。
2. 系统的自由能最小：在平衡态下，系统的自由能达到最小值。
自由能是一个系统能量与熵的综合指标，它反映了系统的稳定
性。
在平衡态下，系统的自由能最小，这意味着系统处于一个稳定的状态。
3. 系统的熵最大：在平衡态下，系统的熵达到最大值。
熵是一个系统无序程度的度量，可以理解为系统的混乱程度。
在平衡态下，系统的熵最大，这意味着系统处于一个最大的混乱状态。
4. 系统达到热力学平衡：在平衡态下，系统的各个部分之间达到了热力学平衡。
这意味着系统内部各个部分之间的宏观性质和微观粒子之间的相互作用达到了一个平衡状态。
上述条件是平衡态的基本条件，但实际系统中可能存在一些特殊情况，需要考虑更加复杂的条件。
例如，在存在外界驱动力的情况下，系统可能处于非平衡态。
在这种情况下，系统可能会向着外界驱动力的方向发展，直到达到平衡态为止。
总之，平衡态条件是一组描述系统稳定性和可预测性的条件。
通过满足这些条件，系统可以达到平衡态，并保持一段时间内的宏观性质不变。
对于不同的系统，平衡态条件可能有所不同，但它们都与微观粒子之间的相互作用有关。
平衡态条件的研究对于理解系统的稳定性和性质具有重要意义。