热力学在材料研究中的应用

热力学原理在化学中的应用

有两个很基本的问题贯穿着整个化学学科：

第一个问题可以通过下面这个例子说明：我已经知道水分子是由氢原子和氧原子构成的，那么我现在有一些氢气和一些氧气，我把它们混合后能否产生水呢？如果不能，那么在什么条件下是可以的？ 第二个问题可以沿用上面的例子：现在我有方法让氢气和氧气生成水了，那么我拿1mol氢气和0.5mol氧气就一定能产生1mol水么？ 用化学的语言概括：1、如何判断化学反应的方向。2、如何计算化学反应的限度。

下面就以上述的两个问题进行说明热力学原理在化学中的应用： 1. 判断化学反应的方向： a) 根据“熵变”判断

当我们已知有材料A、B，并需要C、D时，我们就希望下列反应能够进行：

A+B C+D

能否自发地进行，如果不能，我们又需要给予怎样的条件才能使它们进行？

熵变和吉布斯自由能函数给了我们衡量反应是否自发进行的标准。 在热力学中，我们赋予了反应物与产物“熵”这个概念，它的数值是一个状态函数，即无论在怎样的过程下，只要始态与终态确定了，那么这个过程的熵变就可以确定。

通过化学家反复实验论证，得到了克劳修斯不等式：

这个不等式说明了一个反应过程是否能自发进行，是由这个过程的热温商与其熵变

青海民族大学毕业论文

热力学数据在无机化学中的应用

引言

化学热力学数据在化学领域里有着广泛的应用。在无机化学范围内，主要讨论能量平衡和一定条件下，化学反应进行的方向及限度和反应发生条件，还有就是判断一些无机物的溶解性。

1、在化学反应中的应用

1.1 判断化学反应进行的方向及发生条件

综合焓变(△H)和熵变(△S)这两个能量项, 热力学用自由能(G)这个状态函数的变化量(△G)来判断反应进行的方向, 即吉布斯一亥姆霍兹提出的[1]:

△G = △H - T△S (1) 或 △Gθ298 = △Hθ298 - T△Sθ298 (2) 当△G < 0 过程自发 △G = 0 过程处于平衡态

△G > O 过程非自发(或逆过程自发) 因此, 在恒温恒压下进行的化学反应:

(1 ) 体系焓减或熵增, △G < 0 , 反应自发进行。

(2 ) 当反应热很小, 熵效应对反应进行的方向起决定性作用。 (3 ) 反应熵变很小,特别在低温时, T△S此项影响不大,△H决定反应进行的方向。

(4 ) 反应熵变较大, 特别当温度变化较大时, 有可能导致△G符号的改变, 从而改变反应进行的方向。

例1 石灰窑中烧制石灰的反应为CaCO3(s)→ CO2(g

在前面的讨论中,我们所涉及到的系统均为纯物质系统或组成恒定的系统。?但在实际上常见的却是多组分系统或变速成系统。本章将就多组分系统的热力学问题进行讨论。 在正式讨论之前,先将多组分系统进行分类:

① 按研究的方法分: 多组分系统可有单相和多相之分。本章将讨论多组分系统单相系统。多组分单相系统由两种或两种以上的物质以分子大小相互均匀混合而成的均匀系统当对均匀系统中各组分现用相同的标准和同样方法研究时,称之为混合物;当对均匀系统中各组分加以区别,选用不同的标准和不同的方法(例如:将系统中的组分分为溶剂(A)和溶质(B))研究时,称之为溶液。

② 按聚集状态分: 分为气态溶液或混合物、液态溶液或混合物、固态溶液或混合物本章讨论的对象主要是液态系统,包括液态溶液和液态混合物。

③ 按导电性能分: 对于溶液中溶质,按其导电性能可分为电解质溶液和非电解质溶液,本能力讨论非电解质溶液。

④ 按规律性分:

理想混合物 理想稀溶液 混合物｛ 溶液｛ 真实混合物

6、10个小球分配在4个完全相同的容积中，试求4个小容积中各分得3、2、0、5个小球的微观状态数为多少？

7、由5个粒子所组成的体系，其能级分别为0、?、2?及3?，体系的总能量为3?。试分析5个粒子可能出现的分布方式；求出各种分布方式的微观状态数及总微观状态数。

8、有6个可别粒子，分布在4个不同的能级上(?、2?、3?及4?)，总

能量为10?，各能级的简并度分别为2、2、2、1，计算各类分布的?j及?总。

9、振动频率为?的双原子分子的简谐振动服从量子化的能级规律。有N个分子组成玻耳兹曼分布的体系。求在温度T时，最低能级上分子数的计算式。

10、气体N2的转动惯量I =1.394?10-46kg?m2，计算300K时的qJ。 11、已知NO分子的??=2696K，试求300K时的q?。

~如12、已知下列各双原子分子在基态时的平均核间距r0及振动波数?下：

分子 H2 O2 CO HI r0/10-10m 0.751 1.211 1.131 1.615 ~/(0.01m)?-1 4395 1580 2170 2310 计算各分子的转动惯量、?J及??。

13、计算300K时，1molHI振动时对内能和熵的贡献。

14、在298K及101.

第25卷第2期No.2Vol.25内江师范学院学报

JOURNALOFNEIJIANGNORMALUNIVERSITY

#87#

磁制冷材料的磁熵变热力学研究

陈 湘

*

(内江师范学院物理与电子信息工程学院, 四川 内江 641100)

摘 要:根据热力学知识,分别从磁制冷材料的内能和吉布斯自由能角度出发,比较详细地推导了表征磁制冷材料性能的一个重要指标)))磁熵变($SM),在等温条件下的理论表达式,研究表明采用两种不同的推导方法的结果是一致的.

关键词:磁制冷;磁熵变;热力学;磁热效应中图分类号:O469

文献标志码:A

文章编号:1671-1785(2010)02-0087-03

磁制冷是指以磁性材料为工质的一种新型的固体制冷

磁矩的取向是无规则(随机)的,此时其相应的熵较大.当磁制冷材料(磁工质)被磁化时,磁矩沿磁化方向择优取向(电子自旋系统趋于有序化),在等温条件下,该过程导致工质熵的下降,有序度增加,向外界等温排热;当磁场强度减弱,由于磁性原子或离子的热运动,其磁矩又趋于无序,在等温条件下,磁工质从外界吸热,就能达到制冷的目的.

技术.磁制冷的效率可达到卡诺循环的30%~60%,远远高于传统气体压缩制冷和半导体制冷,另外磁制冷系统运动部件少、可靠性能

1、由5个粒子所组成的体系，其能级分别为0、?、2?及3?，体系的总能量为3?。试分析5个粒子可能出现的分布方式；求出各种分布方式的微观状态数及总微观状态数。

2、有6个可别粒子，分布在4个不同的能级上(?、2?、3?及4?)，总能量为10?，

各能级的简并度分别为2、2、2、1，计算各类分布的?j及?总。

3、振动频率为?的双原子分子的简谐振动服从量子化的能级规律。有N个分子组成玻耳兹曼分布的体系。求在温度T时，最低能级上分子数的计算式。 4、气体N2的转动惯量I =1.394?10-46kg?m2，计算300K时的ZJ。 5、已知NO分子的??=2696K，试求300K时的Z?。

6、已知下列各双原子分子在基态时的平均核间距r0及振动波数?~如下： ~?分子 r0/10-10m /(0.01m)-1 H2 0.751 4395 O2 1.211 1580 CO 1.131 2170 HI 1.615 2310 计算各分子的转动惯量、?J及??。 7、计算300K时，1molHI振动时对内能和熵的贡献。 8、在298K及101.3kPa条件下，1molN2的Zt等于多少？

9、在300K时，计算CO按转动能级的分布，并画出分子在转动能级间的分

第一章 单组元材料热力学 名词解释： 1 可逆过程

2 Gibbs自由能最小判据 3 空位激活能 4 自发磁化： 5 熵：

6 热力学第一定律 热力学第二定律 7 Richard定律 填空题

1 热力学第二定律指出：一个孤立系统总是由熵 低 的状态向熵 高 的状态变化，平衡状态则是具有最大熵的状态。

2 按Boltzmann方程，熵S与微观状态数W的关系式为S=klnW 3 热容的定义是系统升高1K时所吸收的热量，它的条件是物质被加热时不发生相变和化学反应

4 α-Fe的定压热容包括：振动热容、电子热容和磁性热容。 5 纯Fe的A3的加热相变会导致体积 缩小 6 Gibbs-Helmholtz方程表达式是 7 铁磁性物质的原子磁矩因交换作用而排列成平行状态以降低能量的行为被称为自发磁化

论述题

1 根据材料热力学原理解释为什么大多数纯金属加热产生固态相变时会产生体积膨胀的效应？

2 试根据单元材料的两相平衡原理推导克拉伯龙（Clapeyron）方程。 3 试用G-T图的图解法说明纯铁中的A3点相变是异常相变。

4 试画出磁有序度、磁性转变热容及磁性转变（指铁磁-顺磁转变）自由能与温度的关系曲线。

计算题

1已知纯钛α/β的

热力学第一定律习题：

1. 封闭系统过程体积功为零的条件是( )。 封闭系统过程的ΔU=0的条件是( )。 封闭系统过程的ΔH=0的条件是( )。

封闭系统过程ΔU=ΔH的条件：(1)理想气体单纯pVT变化过程：( )；

(2)理想气体化学变化过程：( )。

2. 一定量理想气体节流膨胀过程中：μJ-T＝( )；ΔH=( )； ΔU=( )； W＝( )。

某状态下空气经过节流膨胀过程的Δ(pV)＞0，则μJ-T ( )；ΔH ( )； ΔU ( )。(判断大于0、等于0还是小于0.)

3. 一定量的单原子理想气体某过程的Δ(pV)＝20kJ，则此过程的ΔU=( )kJ， ΔH=( )kJ。

4. 绝热恒容非体积功为0的系统，过程的??H/?p?V,Q?0?( )。 5. 在300K及常压下，2

2 热力学第一定律

本章学习要求：

1．掌握热力学的基本概念，重点掌握状态函数的特点。

2．明确热力学能（U）和焓（H）都是状态函数，热（Q）和功（W）都是与过程相关的物理量。

3．初步掌握用状态函数分析和处理问题的方法。 4．理解可逆过程与最大功的概念。

5．掌握热力学第一定律的表述与数学表达式，学会计算理想气体单纯状态变化过程、相变、化学变化过程的△U、△H、Q及W。

6．理解反应进度与反应热效应的概念，掌握热力学第一定律与黑斯定律的关系，能熟练地应用黑斯定律由生成热与燃烧热计算常温下的反应热。 7．学会应用基尔霍夫定律计算不同温度下的反应热。

在生产实践与科学研究中，我们常碰到这样一些问题：一个物理或化学过程发生后能量得失关系如何？是吸热还是放热？一个新的制备方案能否实现？如何反映最佳反应条件？在一定条件下反应的最高产量可达多少？热力学就是解决这些关系的。

热力学是研究能量互相转换所遵循规律的科学。将热力学基本原理用来研究化学现象以及与化学有关的物理现象就是化学热力学。它的主要内容是利用热力学第一定律计算化学反应的热效应；利用热力学第二定律解决化学反应的方向与限度以及与平衡有关的问题。

热力学两个定律在化学过程以及与化学有关的物理过程中

2 热力学第一定律

本章学习要求：

1．掌握热力学的基本概念，重点掌握状态函数的特点。

2．明确热力学能（U）和焓（H）都是状态函数，热（Q）和功（W）都是与过程相关的物理量。

3．初步掌握用状态函数分析和处理问题的方法。 4．理解可逆过程与最大功的概念。

5．掌握热力学第一定律的表述与数学表达式，学会计算理想气体单纯状态变化过程、相变、化学变化过程的△U、△H、Q及W。

6．理解反应进度与反应热效应的概念，掌握热力学第一定律与黑斯定律的关系，能熟练地应用黑斯定律由生成热与燃烧热计算常温下的反应热。 7．学会应用基尔霍夫定律计算不同温度下的反应热。

在生产实践与科学研究中，我们常碰到这样一些问题：一个物理或化学过程发生后能量得失关系如何？是吸热还是放热？一个新的制备方案能否实现？如何反映最佳反应条件？在一定条件下反应的最高产量可达多少？热力学就是解决这些关系的。

热力学是研究能量互相转换所遵循规律的科学。将热力学基本原理用来研究化学现象以及与化学有关的物理现象就是化学热力学。它的主要内容是利用热力学第一定律计算化学反应的热效应；利用热力学第二定律解决化学反应的方向与限度以及与平衡有关的问题。

热力学两个定律在化学过程以及与化学有关的物理过程中