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热力学第三定律

指数 热力学第三定律

热力学第三定律是热力学的四条基本定律之一,其描述的是热力学系统的熵在温度趋近于绝对零度时將趋于定值。而对于完整晶体,这个定值为零。由於这個定律是由瓦尔特·能斯特歸納得出後發表,因此又常被称为能斯特定理或能斯特假定。1923年,吉爾伯特·路易斯和對此一定律重新提出另一种表述。 随着统计力学的发展,这個定律正如其他热力学定律一样得到了各種解釋,而不再只是由实验結果所歸納而出的经验定律。 这個定律有适用条件的限制,雖然其应用范围不如热力学第一、第二定律广泛,但仍對很多學門有重要意义——特别是在物理化学领域。.

16 关系: 基态吉爾伯特·路易斯完整晶体克劳修斯-克拉佩龙方程统计力学绝对零度绝热过程热力学热力学第一定律热力学第二定律热力学第零定律熱力學平衡物理化学餘熵麦克斯韦关系式

基态

由量子力学创始人提出。在量子力学里,一个系统可能处于一系列量子态中的一个。这一系列的量子态依能量(能階)多少排列,其中能量最少的量子态称为基态。具有更高能量的状态称为激发态。系统一般倾向于占据能量最少的状态,所以基态是研究一个量子系统的重要方面。.

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吉爾伯特·路易斯

吉爾伯特·路易斯(Gilbert Lewis,英国皇家学会外籍院士)是一位美國物理化學家,以路易斯結構表示法而知名,這是一種用來表達分子上電子分布的結構圖。此外,他也是化學熱力學的建立者之一。並且於1926年,創造了「光子」(photon)一詞,用以表示輻射能的最小單位。路易斯成功地为热力学,光化学,和同位素分离做出了贡献,也因其酸和碱的概念而闻名。.

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完整晶体

完整晶体(Perfect crystal)指不存在点缺陷,线缺陷和面缺陷等类型晶体缺陷的晶体。由于在结晶时不可能排除造成晶体缺陷的因素,因而在现实中,完整晶体并不存在。但这一假象概念对于热力学定律的表述非常重要。 在晶体学中,其可以被用来指不存在线缺陷和面缺陷的晶体,因为对于不存在其他类型晶体缺陷的晶体,少量的点缺陷是难以测定的。 晶体缺陷可由于重力因素产生。因而在像国际空间站或太空这种零重力环境中,可以制得接近完整晶体的较为理想的晶体。。.

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克劳修斯-克拉佩龙方程

克劳修斯-克拉佩龙方程(Clausius–Clapeyron relation)是用于描述单组分系统在相平衡时压强随温度的变化率的方法,以鲁道夫·克劳修斯Clausius, R. Ueber die bewegende Kraft der Wärme und die Gesetze, welche sich daraus für die Wärmelehre selbst ableiten lassen.

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统计力学

统计力学(Statistical mechanics)是一個以波茲曼等人提出以最大熵度理論為基礎,藉由配分函數 將有大量組成成分(通常為分子)系統中微觀物理狀態(例如:動能、位能)與宏觀物理量統計規律 (例如:壓力、體積、溫度、熱力學函數、狀態方程式等)連結起來的科学。如氣體分子系統中的壓力、體積、溫度。易辛模型中磁性物質系統的總磁矩、相變溫度、和相變指數。 通常可分為平衡態統計力學,與非平衡態統計力學。其中以平衡態統計力學的成果較為完整,而非平衡態統計力學至今也在發展中。統計物理其中有許多理論影響著其他的學門,如資訊理論中的資訊熵。化學中的化學反應、耗散結構。和發展中的經濟物理學這些學門當中都可看出統計力學研究線性與非線性等複雜系統中的成果。.

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绝对零度

絕對零度(absolute zero)是熱力學的最低溫度,是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。绝对零度是僅存於理論的下限值,其熱力學溫標寫成K,等於攝氏溫標零下273.15度(即−273.15℃)。 物質的溫度取決於其內原子、分子等粒子的動能。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分佈,粒子動能越高,物質溫度就越高。理論上,若粒子動能低到量子力學的最低點時,物質即達到絕對零度,不能再低。然而,根據熱力學第二定律,絕對零度永遠無法達到,只可無限逼近。因為任何空間必然存有能量和熱量,也不斷進行相互轉換而不消失。所以絕對零度是不存在的,除非該空間自始即無任何能量熱量。在此一空間,所有物質完全沒有粒子振動,其總體積並且為零。 有關物質接近絕對零度時的行為,可初步觀察。定義如下: 其中h為普朗克常數、m為粒子的質量、k為波茲曼常數、T為絕對溫度。可見熱德布洛伊波長與絕對溫度的平方根成反比,因此當溫度很低的時候,粒子物質波的波長很長,粒子與粒子之間的物質波有很大的重疊,因此量子力學的效應就會變得很明顯。著名的現象之一就是在1995年首次被實驗證實的玻色-愛因斯坦凝聚,當時溫度降至只有1.7×10-7 K。.

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绝热过程

绝热过程(Adiabatic process)是一个绝热体系的变化过程,绝热体系为和外界没有热量和粒子交换,但有其他形式的能量交换的体系,属于封闭体系的一种。绝热过程有绝热压缩和绝热膨胀两种。常见的一个绝热过程的例子是绝热火焰温度,该温度是指在假定火焰燃烧时没有传递热量给外界的情况下所可能达到的温度。现实中,不存在真正意义上符合定义的绝热过程,绝热过程只是一种近似,所以有时也称为绝热近似。 绝热过程分为可逆过程(熵增为零)和不可逆过程(熵增不为零)两种。可逆的绝热过程是等熵过程。等熵过程的对立面是等温过程,在等温过程中,最大限度的热量被转移到了外界,使得系统温度恒定如常。由于在热力学中,温度与熵是一组共轭变量,等温过程和等熵过程也可以视为“共轭”的一对过程。 如果一个热力学系统的变化快到足以忽略与外界的热交换的话,这一变化过程就可以视为绝热过程,又称“准静态过程”。准静态过程的熵增可以忽略,所以视作可逆过程,严格说来,在热力学中,准静态过程与可逆过程没有严格区分,在某些文献中被作为同义词使用。 同样的,如果一个热力学系统的变化慢到足以靠与外界的热交换来保持恒温的话,该过程则可以视为等温过程。.

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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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热力学第一定律

熱力學第一定律(First Law of Thermodynamics)是熱力學的四條基本定律之一,能量守恒定律對非孤立系統的擴展。此時能量可以以功W或熱量Q的形式傳入或傳出系統。即: 式中\Delta E_为系统内能的变化量,若外界对该系统做功,则W为正值,反之为负值。 写成微分形式为:.

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热力学第二定律

热力学第二定律(second law of thermodynamics)是热力学的三条基本定律之一,表述热力学过程的不可逆性——孤立系统自發地朝著熱力學平衡方向──最大熵狀態──演化,同样地,第二类永动机永不可能实现。 這一定律的歷史可追溯至尼古拉·卡诺对于热机效率的研究,及其于1824年提出的卡诺定理。定律有许多种表述,其中最具代表性的是克劳修斯表述(1850年)和开尔文表述(1851年),这些表述都可被证明是等价的。定律的数学表述主要借助魯道夫·克勞修斯所引入的熵的概念,具体表述为克劳修斯定理。 虽然这一定律在热力学范畴内是一条经验定律,无法得到解释,但随着统计力学的发展,这一定律得到解释。 这一定律本身及所引入的熵的概念对于物理学及其他科学领域有深远意义。定律本身可作为过程不可逆性及时间流向的判据。而路德维希·玻尔兹曼对于熵的微观解释——系统微观粒子无序程度的量度,更使这概念被引用到物理学之外诸多领域,如信息论及生态学等。.

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热力学第零定律

熱力學第零定律(Zeroth Law of Thermodynamics),又稱熱平衡定律,是熱力學的四條基本定律之一,是一個關於互相接觸的物體在熱平衡時的描述,以及為溫度提供理論基礎。最常用的定律表述是: 換句話說,第零定律是指:在一個數學二元關係之中,熱平衡是遞移的。.

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熱力學平衡

热力学平衡,简称热平衡,指一个热力学系统在没有外界影响的条件下,系统各部分的宏观属性(如物质的量、能量、体积等)在长时间内不发生任何变化的状态。 熱平衡是熱力學中的一個基本實驗定律,其重要意義在於它是科學定義溫度概念的基礎,是用溫度計測量溫度的依據。 在熱力學中,溫度、內能、熵是三個基本的狀態函數:.

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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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物理化学

物理化學(Physical Chemistry),是一門從物理學角度分析物質體系化學行為的原理、規律和方法的學科,可謂近代化學的原理根基。物理化學家關注於分子如何形成結構、動態變化、分子光譜原理、平衡態等根本問題,涉及的物理學有靜力學、動力學、量子力學、統計力學等。大體而言,物理化學為化學諸分支中,最講求數值精確和理論解釋的學科。 化學物理學和物理化學都是物理學和化學的交叉學科,但二者是有細微區别的。化學物理學主要是研究化學過程的特征現象和物理理論,而物理化學主要研究化學的物理本質,主要借助原子與分子物理學和凝聚態物理學中的理論方法和實驗技術,研究物理化學現象的學科。 以下是都在物理化學要研究的範圍之中:.

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餘熵

余熵是处于非平衡态的物质与其处于完整晶体状态的物质在温度趋近于绝对零度时熵的差值。这一概念在凝聚体物理学领域主要用来描述玻璃态非晶体及与完整晶体相比在绝对零度时的熵,而完整晶体的熵根据热力学第三定律在绝对零度时为零。当物质冷却时有多种状态时,这一概念会被常常用到。最为常见的非平衡状态为玻璃态。 一个较为常见的例子是一氧化碳,其分子有非常小的电偶极矩。当一氧化碳晶体被冷却至接近绝对零度时,极少数的一氧化碳分子会有足够时间按照完整晶体形态排列(所有分子的排列方向一致)。这样整个晶体内部就有2^N种不同的,可以得出此时的熵S.

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麦克斯韦关系式

麦克斯韦关系式是热力学中的一套方程,可以从热力学势的定义推出。麦克斯韦关系式是热力学势的二阶导数之间的等式的陈述。它们可以直接从二元解析函数的高阶导数与求导次序无关的事实推出。如果Φ是一个热力学势,x_i和x_j是这个势的两个不同的自然变量,那么这个势和这些变量的麦克斯韦关系式为: \frac\left(\frac\right) 其中所有其他自然变量都保持恒定。可以看到,对于每一个热力学势,都有n(n-1)/2个可能的麦克斯韦关系式,其中n是这个势的自然变量的个数。 这些关系式以19世纪物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦命名。.

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