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不可逆性

指数 不可逆性

在热力学领域中,不可逆过程(Irreversible process)是相对可逆过程而言的,指的是在时间反演变换下只能单向进行的热力学过程,这种热力学过程所具有的性质被称作不可逆性。从热力学角度而言,自然界中所有复杂的热力学过程都具有宏观上的不可逆性。宏观上不可逆性现象产生的原因在于,当一个热力学系统复杂到足够的程度,组成其系统的分子之间的相互作用使系统在不同的热力学态之间演化;而由于大量分子运动的高度随机性,分子和原子的组成结构和排列的变化方式是非常难于预测的。热力学状态的演化过程需要分子之间彼此做功,在做功的过程中也伴随有能量转换以及由分子间摩擦和碰撞引起的一定热量的流失和耗散,这些能量损失是不可复原的。.

目录

  1. 13 关系: 可逆过程分子分子间作用力经典力学热力学热力学系统热力学过程热机魯道夫·克勞修斯路德维希·玻尔兹曼自然對數

功(work),也叫机械功,是物理学中表示力对位移的累积的物理量,指从一种物理系统到另一种物理系统的能量转变,尤其是指通过使物体朝向力的方向移动的力的作用下能量的转移。与机械能相似的是,功也是标量,国际单位制单位为焦耳。 “功”一词最初是法国数学家贾斯帕-古斯塔夫·科里奥利创造的。 由动能定理,若一个外力作用于一物体使之动能从Ek0增至Ek,那么,此力所作的机械功为: 其中m是物体的质量,v是物体的速度。 机械功就是力与位移的內積: 若力与位移的夹角小于直角,则机械功为正,亦称为力作正功。若力与位移的夹角大于直角,则机械功为负,或力作负功,或物体克服力作功。 若力的方向与位移方向垂直,则此力不作功: 舉例來說:一個10牛頓(F.

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可逆过程

在热力学中,可逆过程是指系统的某些属性能够在无能量损失或耗散的情形下通过无穷小的变化实现反转的热力学过程。如果这一过程是一个热力学循环,则这种循环称为可逆循环。Sears, F.W. and Salinger, G.L. (1986), Thermodynamics, Kinetic Theory, and Statistical Thermodynamics, 3rd edition (Addison-Wesley.)由于这些变化都是无穷小的,热力学系统在整个过程中都处于平衡态。由于在理论上这种过程所需时间为无穷大,完全理论意义上的可逆过程在实际中是不可能实现的。不过,如果系统对所发生变化的反应速度远远大于变化本身,过程中微小的不可逆性则可以忽略,因而理论上经常把无摩擦的准静态过程看作可逆过程。在可逆循环中,系统和其外界环境在每一次循环结束时都保持完全相同的状态。Zumdahl, Steven S.

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分子

分子(molecule)是一种构成物质的粒子,呈电中性、由两個或多個原子組成,原子之間因共價鍵而鍵結。能够單獨存在、保持物质的化學性質;由分子組成的物質叫分子化合物。 一個分子是由多個原子在共價鍵中通过共用電子連接一起而形成。它可以由相同的化學元素构成,如氧氣分子 O2;也可以由不同的元素构成,如水分子 H2O。若原子之間由非共價鍵的化學鍵(如離子鍵)所結合,一般不會視為是單一分子。 在不同的領域中,分子的定義也會有一點差異:在热力学中,构成物质的分子(如水分子)、原子(如碳原子)、离子(如氯离子)等在热力学上的表现性质都是一样的,因此,都统称为分子;在氣體動力論中,分子是指任何构成气体的粒子,此定義下,單原子的惰性氣體也可視為是分子。而在量子物理、有機化學及生物化學中,多原子的離子(如硫酸根)也可以視為是一個分子。 分子可根据其构成原子的数量(原子數)分为单原子分子,双原子分子等。 在氣体中,氫分子(H2)、氮分子(N2)、氧分子(O2)、氟分子(F2)和氯分子(Cl2)的原子數是2;固体元素中,黃磷(P4)原子數是4,硫(S8)的是8。所以,氬(Ar)是單原子的分子,氧氣(O2)是雙原子的,臭氧(O3)則是三原子的。 許多常見的有機物質都是由分子所組成的,海洋和大氣中大部份也是分子。但地球上主要的固體物質,包括地函、地殼及地核中雖也是由化學鍵鍵結,但不是由分子所構成。在離子晶體(像鹽)及共價晶體有反覆出現的晶体结构,但也無法找到分子。固態金屬是用金屬鍵鍵結,也有其晶体结构,但也不是由分子組成。玻璃中的原子之間依化學鍵鍵結,但是既沒有分子的存在,其中也沒有類似晶體反覆出現的晶体结構。.

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分子间作用力

分子间作用力(Intermolecular force),亦稱分子間引力,指存在于分子与分子之间或高分子化合物分子内官能基之间的作用力,简称分子间力。它主要包括:.

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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.

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热力学系统

热力学系统(Thermodynamic system)是指用于热力学研究的有限宏观区域,是热力学的研究对象。它的外部空间被称为这个系统的环境。一个系统的边界将系统与它的外部隔开。这个边界既可以是真实存在的,也可以是假想出来的,但必须将这个系统限制在一个有限空间里。系统与其环境可以在边界进行物质,功,热或其它形式能量的传递。而热力学系统可以从它的边界(或边界的一部分)所允许的传递类型进行分类。 热力学系统有一系列的状态函数,比如体积,压强,温度等。这些量都是可以通过实验测量的宏观量。这些量的数值共同决定这个系统的热力学状态。一个热力学系统的状态函数通常存在一个或多个函数关系。这些关系可由状态方程表述。平衡热力学不涉及对这些状态函数的通量的研究。因为由热力学平衡的定义可以自然得到,这些函数的通量的值为零。当然,平衡热力学可能会涉及使通量不为零的过程,但在热力学过程进行前,这些过程必需停止。非平衡热力学允许状态函数通量不为零。通量不为零表示在系统和它的环境间存在物质,能量或熵等的传递。 孤立系统是一种假想存在的系统。这种系统与其外界无任何相互作用。在理想状况下,其内部处于热力学平衡,即它的热力学状态不随时间变化。而非孤立系统根据它的边界的性质可以与它的环境处于热力学平衡。它们也可能处于时时变化或者循环变化(一种稳态)的非平衡状态。系统与其环境的相互作用可以通过热传递或者长程力等方式进行。 热力学系统并非一个普遍概念,并不能代表全部的物理学系统。而这里定义的热力学系统的物理存在可以认为是平衡热力学的基础公设,尽管并没有被列为一条热力学定律。而在一些文献中,热力学第零定律通常的表述被认为是这一公设的一个推论。 热力学系统的概念可以追溯到1824年尼古拉·卡诺对于热机的研究。他当时称其为热机的工作物质。.

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热力学过程

熱力學過程的定義是一個熱力學系統由開始到完結的狀態中所涉及的能量轉變。在過程中,路徑會因為受到某一些熱力學的變數要保持常數而變得指定,以下將以共軛對來對熱力學過程進行解說,因為當其中一個變數設為常數時,剛好是另一個的共軛對。 首先,壓力和容量是其中一個共軛對。因為兩者都涉及以傳送機械能或動能形式的作功。.

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热机

熱機,或稱熱引擎(Heat Engine),是能够将热源提供的一部分熱量转化成为对外输出的机械能之机器。热机对外输出的机械能称为「输出功」。热机的工作模式一般可以简化为热力学循环的模型,热机的种类也按背后不同的热学模型命名,比如卡诺热机、迪塞尔热机等等。此外,按照热源或工作特性,也各自有约定成俗的名称,如柴油机、汽油机、蒸汽机等等。热机可以是开放系统,也可以是封闭系统。热源可以是使用煤的蒸汽炉,汽车发动机的燃烧室,也可以是太阳能的蒸汽炉,地热和核反应堆。热机分为内燃机和外燃机两种。 在工程学和热力学中,热机被简化为一个由高温热源TH,工作系统和低温热源TC(可以看作多余能量的排放处)构成的循环。热量由高温热源传递到工作系统中,一部分通过做功转化为机械能,另一部分传到低温热源。在热源和工作系统之间用来进行能量传递和转化的媒介叫做工作物质。.

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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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魯道夫·克勞修斯

魯道夫·朱利葉斯·埃曼努埃爾·克勞修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius,),德國物理學家和數學家,熱力學的主要奠基人之一。他重新陳述了尼古拉·卡諾的定律(又被稱為卡諾循環),把熱理論推至一個更真實更健全的基礎。他最重要的論文於1850年發表,該論文是關於熱的力學理論的,其中首次明確指出熱力學第二定律的基本概念。他还於1855年引進了熵的概念。.

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路德维希·玻尔兹曼

路德维希·爱德华·玻尔兹曼(Ludwig Eduard Boltzmann ,)是一位奥地利物理学家和哲学家。作为一名物理学家,他最伟大的功绩是发展了通过原子的性质(例如,原子量,电荷量,结构等等)来解释和预测物质的物理性质(例如,粘性,热传导,扩散等等)的统计力学,并且从统计概念出發,完美地阐释了热力学第二定律。.

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自然對數

自然对数(Natural logarithm)是以e為底數的对数函数,標記作ln(x)或loge(x),其反函数是指數函數ex。.

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亦称为 不可逆过程。