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勒壤得轉換

指数 勒壤得轉換

勒壤得轉換(Legendre transformation)是一個在數學和物理中常見的技巧,得名於阿德里安-馬裡·勒壤得(Arien-Marie Legendre)。该操作是一个实变量的实值凸函数的对合变换。 它经常用于经典力学中,从拉格朗日形式导出哈密顿形式;以及在热力学中,推导出热力学势,并求解多个变量的微分方程。.

31 关系: 压强吉布斯能实数导数對偶性關係亥姆霍兹自由能廣義坐標廣義動量廣義速度体积化學成份切線哈密顿力学内能凸函数凸共轭函数內含及外延性質经典力学热力学热力学自由能熱動力位能齐次函数阿德里安-马里·勒让德正則坐標正則變換正則變換生成函數拉格朗日力学拉格朗日量

压强

生在兩個物體接觸表面、垂直於該表面的作用力,亦可稱為壓力。通常來說,在液壓、氣動或大氣層等領域中提到的「壓力」指的實際上是壓强,即在数值上等於接觸表面上每單位面積所受壓力。 壓強是分布在特定作用面上之力與該面積的比值。換句話說,是作用在與物體表面垂直方向上的每單位面積的力的大小。計式壓強是相較於該地之大氣壓的壓強。雖然壓強可用任意之力單位與面積單位進行測量,但是壓強的國際標準單位(每單位平方公尺的牛頓)也被稱作帕斯卡。 一般以英文字母「p」表示。压力與力和--積的關係如下: 其中.

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吉布斯能

約西亞·吉布斯 在热力学裏,吉布斯能(Gibbs能),又称吉布斯自由能、吉布斯函数、自由焓,常用英文字母「G」標記。吉布斯能是國際化學聯會建議採用的名稱。吉布斯能是描述系統的熱力性質的一種熱力勢,定義為 其中,U是系统的内能,T是絕對温度,S是熵,p是压强,V是体积,H是焓。 假設在等温等压狀況下,一個熱力系統從良好定義初態變換到良好定義終態,則其吉布斯能減少量必定大於或等於其所做的非體積功;假若這變換是可逆過程,則其吉布斯能減少量等於其所做的非體積功。所以,這熱力系統所能做的最大非體積功是其吉布斯減少量。 在等溫等壓狀況下,一個熱力過程具有的必需條件為,吉布斯能隨著過程的演化而減小。這意味著,平衡系統的吉布斯能是最小值;在平衡點,吉布斯能對於其它自變量的導數為零。 吉布斯能可以用來評估一個反應是否具有自發性,它可以用來估算一個熱力系統可以做出多少非體積功。當應用熱力學於化學領域時,吉布斯能是最常用到與最有用的物理量之一。吉布斯能是為紀念美國物理學者約西亞·吉布斯而命名。J.W. Gibbs, "A Method of Geometrical Representation of the Thermodynamic Properties of Substances by Means of Surfaces," Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences 2, Dec.

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实数

实数,是有理數和無理數的总称,前者如0、-4、81/7;后者如\sqrt、\pi等。实数可以直观地看作小數(有限或無限的),它們能把数轴「填滿」。但僅僅以枚舉的方式不能描述實數的全體。实数和虚数共同构成复数。 根据日常经验,有理數集在數軸上似乎是「稠密」的,于是古人一直认为用有理數即能滿足測量上的實際需要。以邊長為1公分的正方形為例,其對角線有多長?在規定的精度下(比如誤差小於0.001公分),總可以用有理數來表示足夠精確的測量結果(比如1.414公分)。但是,古希臘畢達哥拉斯學派的數學家發現,只使用有理數無法完全精確地表示這條對角線的長度,這徹底地打擊了他們的數學理念;他們原以為:.

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导数

导数(Derivative)是微积分学中重要的基礎概念。一个函数在某一点的导数描述了这个函数在这一点附近的变化率。导数的本质是通过极限的概念对函数进行局部的线性逼近。当函数f的自变量在一点x_0上产生一个增量h时,函數输出值的增量與自變量增量h的比值在h趋于0时的極限如果存在,即為f在x_0处的导数,记作f'(x_0)、\frac(x_0)或\left.\frac\right|_。例如在运动学中,物体的位移对于时间的导数就是物体的瞬时速度。 导数是函数的局部性质。不是所有的函数都有导数,一个函数也不一定在所有的点上都有导数。若某函数在某一点导数存在,则称其在这一点可导,否则称为不可导。如果函数的自变量和取值都是实数的话,那么函数在某一点的导数就是该函数所代表的曲线在這一点上的切线斜率。 对于可导的函数f,x \mapsto f'(x)也是一个函数,称作f的导函数。寻找已知的函数在某点的导数或其导函数的过程称为求导。反之,已知导函数也可以倒过来求原来的函数,即不定积分。微积分基本定理说明了求原函数与积分是等价的。求导和积分是一对互逆的操作,它们都是微积分学中最为基础的概念。.

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對偶性關係

#重定向 对偶_(数学).

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亥姆霍兹自由能

亥姆霍兹自由能(在物理学中也常直接简称为自由能),是一个重要的热力学参数,常用F或A表示,它的定义是: 其中U是系统的内能,T是温度,S是熵。 自由能的微分形式是: 其中P是压强,V是体积,μ是化学势。 自由能可以被理解成是系统内能的一部分,这部分在可逆等温过程中被转化成功。在粒子数不变的等温过程中,系统对外界所做的功一定只能小于或者等于其自由能的减少,也就是说,系统自由能的减少就是等温过程中系统对外界所做的最大功。这就是最大功定理。数学表示是: 如果是等温等容过程,W.

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廣義坐標

#重定向 廣義座標.

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廣義動量

拉格朗日力學與哈密頓力學時常涉及廣義動量。這是因為採用廣義坐標有許多優點。而廣義動量是正則共軛於廣義坐標的物理量,又稱為共軛動量。 假設一個物理系統的廣義坐標是 (q_1,\ q_2,\ q_3,\ \dots,\ q_N)\,\! ,則廣義速度為 (\dot_1,\ \dot_2,\ \dot_3,\ \dots,\ \dot_N)\,\! 。表示廣義動量為 (p_1,\ p_2,\ p_3,\ \dots,\ p_N)\,\! 。定義廣義動量為拉格朗日量 \mathcal\,\! 隨廣義速度的導數:.

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廣義速度

拉格朗日力學時常涉及廣義速度。假設一個物理系統的廣義坐標是(q_1,\ q_2,\ q_3,\ \dots,\ q_N)\,\!,表示廣義速度為(\dot_1,\ \dot_2,\ \dot_3,\ \dots,\ \dot_N)\,\!。廣義速度定義為廣義坐標對於時間t\,\!的導數:.

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体积

積(Volume)是物件佔有多少空間的量。體積的國際單位制是立方米。一件固體物件的體積是一個數值用以形容該物件在空間所佔有的空間。一維空間物件(如線)及二維空間物件(如正方形)在三維空間中均是零體積的。體積是物件佔空間的大小。.

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化學成份

化學成份是化學中的一個概念,在純物質及混合物中有不同(但相近的)意義。.

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切線

#重定向 切线.

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哈密顿力学

哈密顿力学是哈密顿于1833年建立的经典力学的重新表述,它由拉格朗日力学演变而来。拉格朗日力学是经典力学的另一表述,由拉格朗日于1788年建立。哈密顿力学与拉格朗日力学不同的是前者可以使用辛空间而不依赖于拉格朗日力学表述。关于这点请参看其数学表述。 适合用哈密顿力学表述的动力系统称为哈密顿系统。.

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内能

在熱力學裡,內能(internal energy)是熱力學系統內兩個具狀態變數之基本狀態函數的其中一個函數。內能是指系統所含有的能量,但不包含因外部力場而產生的系統整體之動能與位能。內能會因系統能量的增損而隨之改變。 系統的內能可能因(1)對系統加熱、(2)對系統作,或(3)添加或移除物質而改變。當系統內有不可穿透的牆阻止物質傳遞時,該系統稱之為「封閉系統」。如此一來,熱力學第一定律描述,內能的增加會等於增加的熱量加上環境對該系統所作的功。若該系統周圍的牆不能傳遞物質與能量,則該系統稱之為「孤立系統」,且其內能會維持定值。 一系統內給定狀態下的內能不能被直接量測。給定狀態下的內能可由一已給定其內能參考值之參考狀態開始,經過一連串及熱力學過程,以達到該給定狀態來決定其值。這一連串的操作及過程,理論上可使用該系統的某些外延狀態變數來描述,亦即該系統的熵 S、容量 V 及莫耳數 。內能 是這些變數的函數。有時,該函數還能再附加上其他的外延狀態變數,如電偶極矩。就熱力學及工程學上的實際用途來看,一般很少需要考慮一個系統的所有內含能量,如質量所含有的等價能量。一般而言,只有與研究的系統及程序有關的部分才會被包含進來。熱力學一般只在意內能的「變化量」。 內能是一系統內的狀態函數,因為其值僅取決於該系統的目前狀態,而與達到此一狀態所採之途徑或過程無關。內能是個外延物理量。內能是個基本熱動力位能。使用勒壤得轉換,可從內能開始,在數學上建構出其他的熱動力位能。這些函數的狀態變數,部分外延變數會被其共軛內含變數所取代。因為僅是將外延變數由內含變數所取代並無法得出其他熱動力位能,所以勒壤得轉換是必要的。熱力學系統的另一個基本狀態函數為該系統的熵 ,是個除熵 S 這個狀態變數被內能 U 所取代外,具有相同狀態變數之狀態函數。 雖然內能是個宏觀物理量,內能也可在微觀層面上由兩個假設的量來解釋。一個是系統內粒子的微觀運動(平移、旋轉、振動)所產生的微觀動能。另一個是與粒子間的化學鍵及組成物質的靜止質量能量等微觀力有關之位能。在微觀的量與系統因作功、加熱或物質轉移而產生之能量增損的量之間,並不存在一個簡單的普遍關係。 能量的國際單位為焦耳(J)。有時使用單位質量(公斤)的內能(稱之為「比內能」)會比較方便。比內能的國際單位為 J/kg。若比內能以物質數量(莫耳)的單位來表示,則稱之為「莫耳內能」,且該單位為 J/mol。 從統計力學的觀點來看,內能等於系統總能量的。.

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凸函数

凸函数是一个定义在某个向量空间的凸子集C(区间)上的实值函数f,如果在其定义域C上的任意两点x,y,以及t\in ,有 也就是说,一个函数是凸的当且仅当其上境图(在函数图像上方的点集)为一个凸集。 如果对于任意的t\in (0,1)有 若對於任意的x,y,z,其中x\le z\le y,都有f(z)\leq \max\, \,\,\, \forall x,y,z \,\,\, x\leq z\leq y,則稱函數f是幾乎凸的。.

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凸共轭

在数学中,凸共轭是勒让德变换的一种推广;凸共轭也被称作Legendre–Fenchel变换,或者Fenchel变换,以阿德里安-马里·勒让德(Adrien-Marie Legendre)和Werner Fenchel命名。.

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函数

函數在數學中為兩集合間的一種對應關係:輸入值集合中的每項元素皆能對應唯一一項輸出值集合中的元素。例如實數x對應到其平方x2的關係就是一個函數,若以3作為此函數的輸入值,所得的輸出值便是9。 為方便起見,一般做法是以符號f,g,h等等來指代一個函數。若函數f以x作為輸入值,則其輸出值一般寫作f(x),讀作f of x。上述的平方函數關係寫成數學式記為f(x).

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內含及外延性質

在物理學中,內含性質(intensive property)是指系統中不隨系統大小或系統中物質多少而改變的物理性质 Engineering Thermodynamics p.19, M. David Burghardt, James A. Harbach, Harper Collins 1992, 0-06-041049-3,內含性質是的物理量。 相反的,外延性質(extensive property)是指系統中會和系統大小或系統中物質多少成比例改變的物理性质,二個個別獨立,不相關的系統,其外延性質有加成性,個別系統外延性質的和就是總系統的外延性質 Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry (3rd edn. 2007), page 6 (page 20 of PDF file)。 例如,密度和物質的多少無關,因此是物質的內含性質。物質的量常用質量及體積來表示,這二個都是外延性質。.

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经典力学

经典力学是力学的一个分支。经典力学是以牛顿运动定律为基础,在宏观世界和低速状态下,研究物体运动的基本学科。在物理學裏,经典力学是最早被接受为力學的一个基本綱領。经典力学又分为静力学(描述静止物体)、运动学(描述物体运动)和动力学(描述物体受力作用下的运动)。16世纪,伽利略·伽利莱就已采用科学实验和数学分析的方法研究力学。他为后来的科学家提供了许多豁然开朗的启示。艾萨克·牛顿则是最早使用数学语言描述力学定律的科学家。.

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热力学

热力学,全稱熱動力學(thermodynamique,Thermodynamik,thermodynamics,源於古希腊语θερμός及δύναμις)是研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科;它着重研究物质的平衡状态以及与準平衡态的物理、化学过程。热力学定義許多巨觀的物理量(像溫度、內能、熵、壓強等),描述各物理量之間的關係。热力学描述數量非常多的微觀粒子的平均行為,其定律可以用統計力學推導而得。 熱力學可以總結為四條定律。 熱力學第零定律定義了温度這一物理量,指出了相互接觸的两个系統,熱流的方向。 熱力學第一定律指出内能這一物理量的存在,並且與系統整體運動的動能和系統与與環境相互作用的位能是不同的,區分出熱與功的轉換。 熱力學第二定律涉及的物理量是温度和熵。熵是研究不可逆过程引入的物理量,表征系統通過熱力學過程向外界最多可以做多少熱力學功。 熱力學第三定律認為,不可能透過有限過程使系統冷却到絕對零度。 熱力學可以應用在許多科學及工程的領域中,例如:引擎、相變化、化學反應、輸運現象甚至是黑洞。熱力學計算的結果不但對物理的其他領域很重要,對航空工程、航海工程、車輛工程、機械工程、細胞生物學、生物醫學工程、化學、化學工程及材料科學等科學技術領域也很重要,甚至也可以應用在經濟學中。 热力学是从18世纪末期发展起来的理论,主要是研究功與热量之間的能量轉換;在此功定義為力與位移的內積;而熱則定義為在熱力系統邊界中,由溫度之差所造成的能量傳遞。兩者都不是存在於熱力系統內的性質,而是在熱力過程中所產生的。 熱力學的研究一開始是為了提昇蒸汽引擎的效率,早期尼古拉·卡諾有許多的貢獻,他認為若引擎效率提昇,法國有可能贏得拿破崙戰爭。出生於愛爾蘭的英國科學家開爾文在1854年首次提出了熱力學明確的定義: 一開始熱力學研究關注在熱機中工質(如蒸氣)的熱力學性質,後來延伸到化学过程中的能量轉移,例如在1840年科學家杰迈因·亨利·盖斯提出,有關化學反應的能量轉移的研究。化學熱力學中研究熵對化學反應的影響Gibbs, Willard, J. (1876).

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热力学自由能

热力学自由能(英语:Thermodynamic free energy)是指一个热力学系统的能量中可以用来对外做功的部分,是热力学态函数。自由能可以作为一个热力学过程能否自发进行的判据。 对限定条件不同的热力学过程,热力学自由能有不同表达形式。最常见的有吉布斯自由能G和亥姆霍兹自由能A(或F)。等温等容过程用亥姆霍兹自由能 A.

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焓(enthalpy,读音ㄏㄢˊ|hán)是一个热力学系统中的能量参数。规定由字母H表示(H来自于英语Heat Capacity(热容)一词),单位為焦耳(J)。此外在化学和技术文献中,摩尔焓Hm(单位:千焦/摩尔,kJ/mol)和质量焓(或比焓)h(单位:千焦/千克,kJ/kg)也非常重要,它们分别描述了焓在单位物质的量和单位质量上的定义。 焓是内能和体积的勒让德变换。它是SpN总合的热势能。.

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熱動力位能

熱動力位能(Thermodynamic potential)是一個來表示系統之熱動力態的純量函數。熱動力位能的概念是皮埃爾·迪昂於1886年提出。約西亞·吉布斯在他的論文中使用了基礎函數一詞。熱動力位能其中一種主要的物理解釋是內能U。它是守恒力系統之位形的能量(這就是為什麼它是一個位能),只有在一套被定義出來的參考系中才具有意義。所有的熱動力位能表示式可從U的表示式經勒壤得轉換導出。在熱動力學中,某些力,如重力通常在位能的表示式中被忽略。例如:在所有的蒸汽引擎中,工作流體在山上的重力位能比在平地上的重力位能更高,重力位能項在內能的方程式中通常會被省略,因為引擎的運作過程中,重力位能的改變量是可以忽略的。.

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化學及热力学中所谓熵(entropy),是一種測量在動力學方面不能做功的能量總數,也就是當總體的熵增加,其做功能力也下降,熵的量度正是能量退化的指標。熵亦被用於計算一個系統中的失序現象,也就是計算該系統混亂的程度。熵是一个描述系统状态的函数,但是经常用熵的参考值和变化量进行分析比较,它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用,在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义,是各领域十分重要的参量。.

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齐次函数

在數學中,齐次函数是一個有倍數性質的函數:如果变數乘以一個係數,則新函數會是原函數再乘上係數的某次方倍。.

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阿德里安-马里·勒让德

阿德里安-馬里·勒讓德(Adrien-Marie Legendre,),法國數學家。他的主要貢獻在統計學、數論、抽象代數與數學分析上。勒让德的主要研究领域是分析学(尤其是椭圆积分理论)、数论、初等几何与天体力学,取得了许多成果,导致了一系列重要理论的诞生。勒让德是椭圆积分理论奠基人之一。勒让德对数论的主要贡献是二次互反律,这是同余式论中的一条基本定理。他还是解析数论的先驱者之一,归纳出了素数分布律,促使许多数学家研究这个问题。其他贡献包括:椭圆函数论、最小二乘法、测地线理论等。.

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正則坐標

#重定向 正則座標.

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正則變換

在哈密頓力學裏,正則變換(canonical transformation)是一種正則坐標的改變,(\mathbf,\ \mathbf) \rightarrow (\mathbf,\ \mathbf),而同時維持哈密頓方程的形式,雖然哈密頓量可能會改變。正則變換是哈密頓-亞可比方程式與刘维尔定理的基礎。.

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正則變換生成函數

在哈密頓力學裏,當計算正則變換時,生成函數扮演的角色,好似在兩組正則坐標 (\mathbf,\ \mathbf) ,(\mathbf,\ \mathbf) 之間的一座橋。為了要保證正則變換的正確性 ,採取一種間接的方法,稱為生成函數方法。這兩組變數必須符合方程式 其中,\mathbf.

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拉格朗日力学

拉格朗日力学(Lagrangian mechanics)是分析力学中的一种,于1788年由約瑟夫·拉格朗日所创立。拉格朗日力学是对经典力学的一种的新的理论表述,着重于数学解析的方法,並運用最小作用量原理,是分析力学的重要组成部分。 经典力学最初的表述形式由牛顿建立,它着重於分析位移,速度,加速度,力等矢量间的关系,又称为矢量力学。拉格朗日引入了广义坐标的概念,又运用达朗贝尔原理,求得与牛顿第二定律等价的拉格朗日方程。不仅如此,拉格朗日方程具有更普遍的意义,适用范围更广泛。还有,选取恰当的广义坐标,可以大大地简化拉格朗日方程的求解过程。.

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拉格朗日量

在分析力學裏,一个动力系统的拉格朗日量(Lagrangian),又稱為拉格朗日函數,是描述整个物理系统的动力状态的函数,對於一般經典物理系統,通常定義為動能減去勢能,以方程式表示為 其中,\mathcal為拉格朗日量,T為動能,V為勢能。 在分析力学裡,假設已知一个系统的拉格朗日量,则可以将拉格朗日量直接代入拉格朗日方程式,稍加运算,即可求得此系统的运动方程式。 拉格朗日量是因數學家和天文學家約瑟夫·拉格朗日而命名。.

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勒让德变换

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