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热力学自由能

指数 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.

20 关系: 吉布斯自由能亥姆霍兹自由能德国内能等容过程等温等压系综热力学系统热力学过程热质说燃料电池詹姆斯·普雷斯科特·焦耳赫尔曼·冯·亥姆霍兹配分函数英国英语電化電池正则系综态函数

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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吉布斯自由能

#重定向 吉布斯能.

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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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德国

德意志联邦共和国(Bundesrepublik Deutschland/),简称德国(Deutschland),是位於中西歐的联邦议会共和制国家,由16个-zh-hans:联邦州; zh-hant:邦;-组成,首都与最大城市为柏林。其国土面积约35.7万平方公里,南北距离为876公里,东西相距640公里,从北部的北海与波罗的海延伸至南部的阿尔卑斯山。气候温和,季节分明。德国人口约8,180万,为欧洲联盟中人口最多的国家,也是世界第二大移民目的地,仅次于美国。 在50万年前的舊石器時代晚期,海德堡人及其後代尼安德特人生活在今德國中部。自古典時代以來各日耳曼部族開始定居於今日德國的北部地區。公元1世紀時,有羅馬人著作的關於“日耳曼尼亞”的歷史記載。在公元4到7世紀的民族遷徙期,日耳曼部族逐漸向歐洲南部擴張。自公元10世紀起,德意志領土組成神聖羅馬帝國的核心部分。16世紀時,德意志北部地區成為宗教改革中心。在神聖羅馬帝國滅亡後,萊茵邦聯和日耳曼邦聯先後建立,1871年,在普魯士王國主導之下,多數德意志邦國統一成為德意志帝國,「德意志」開始做為國名使用。在第一次世界大戰和1918-1919年德國革命後,德意志帝國解體,議會制的威瑪共和國取而代之。1933年納粹黨獲取政權並建立獨裁統治,最終導致第二次世界大戰及系統性種族滅絕的發生。在戰敗並經歷同盟國軍事佔領後,德國分裂为德意志聯邦共和國(西德)和德意志民主共和國(東德)。在1990年10月3日重新統一成為現在的德國。国家元首为联邦总统,政府首脑則为联邦总理。 德國是世界大國之一,其國内生產總值以國際匯率計居世界第四,以購買力評價計居世界第五。其諸多工業工程和科技部門位居世界前列,例如全球馳名的德國車廠、精密部件等,為世界第三大出口國。德國為發達國家,生活水平居世界前列。德國人也以熱愛大自然聞名,都市綠化率極高,也是歐洲再生能源大國,是可持續發展經濟的樣板,除了強調環境保護與自然生態保育,在人為飼養活體的態度十分嚴謹,不但獲得大量外匯和資訊優勢,其動物保護法律管束、生命教育水準也是首屈一指的,在高等教育方面並提供免費大學教育,並具備完善的社會保障制度和醫療體系,催生出拜爾等大藥廠。 德国为1993年欧洲联盟的创始成员国之一,为申根区一部分,并于1999年推动欧元区的建立。德国亦为联合国、北大西洋公约组织、八国集团、20国集团及经济合作与发展组织成员。其军事开支总额居世界第九。 德語是歐盟境内使用人數最多的母語。德國文化的豐富層次和對世界的影響表現在其建築和美術、音樂、哲學以及電影等等。德國的文化遺產主要以老城為代表。另外國家公園和自然公園共計有上百處。.

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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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等容过程

等容过程(也叫等体过程)是体积不变的热力学过程。如果使用理想气体,且气体的质量不变,则能量的增加与温度和体积的增加成正比。例如加热密封、坚固容器中的气体:压强和温度会增加,但体积不变。.

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等温等压系综

等温等压系综是正则系综的推广,是统计力学系综的一种。正如其名,这个系综对应于具有恒定温度和压强的体系。每个系综内的体系可以和其他体系进行能量和体积交换。但系综内各体系的能量总和以及体积总和是固定的,而且各体系有相同的粒子数。化学上这个系综很重要,因为化学反应经常是在等温等压的条件下进行的。 其配分函数可以通过对正则配分函数 Z(N, V, T) \, 加权求和得到。 其中k_B \, 是波尔兹曼常数,V\,是体积。虽然直观上看C \, 应该是一个常数,有学者认为可有其他选择,比如,C.

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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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热质说

熱質說(Caloric theory)是種錯誤和受局限的科學理論,曾用來解釋熱的物理現象。此理論認為熱是一種稱為「熱質」(caloric)的物質,熱質是一種無質量的氣體,物體吸收熱質後溫度會升高,熱質會由溫度高的物體流到溫度低的物體,也可以穿過固體或液體的孔隙中。熱質說在拉瓦節1772年用實驗推翻燃素說後開始盛行,拉瓦節的《化學基礎》一書就把熱列在基本物質之中。 熱質說可以解釋一些熱的現象,不過無法解釋一些只要持續作功就可以持續產生熱的現象(如摩擦生熱)。19世紀中,熱質說被機械能守恆所取代;之後,熱質說仍然在許多科學文獻中出現,一直到19世紀末才消失。目前常用的熱量單位卡路里(Calorie)即起源自熱質(caloric)。.

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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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燃料电池

燃料電池(Fuel cell)是一種主要透過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應,把燃料中的化學能轉換成電能的發電裝置。最常見的燃料為氫 ,其他燃料來源來自於任何的能分解出氫氣的碳氫化合物,例如天然氣、醇、和甲烷等。燃料電池有別於原電池,優點在於透過穩定供應氧和燃料來源,即可持續不間斷的提供穩定電力,直至燃料耗盡,不像一般非充電電池一樣用完就丟棄,也不像充電電池一樣,用完須繼續充電,也因此透過電堆串連後,甚至成為發電量百萬瓦(MW)級的發電廠。 1839年,英國物理学家製作了首個燃料電池。而燃料電池的首次應用就在美國太空總署1960年代的太空任務當中,為探測器、人造衛星和太空艙提供電力。從此以後,燃料電池就開始被廣泛使用在工業、住屋、交通等方面,作為基本或後備供電裝置。 現今生活中存在多種燃料電池,但它們運作原理基本上大致相同,必定包含一個陽極,一個陰極以及讓電荷通過電池兩極的电解质。電子由陽極傳至陰極產生直流電,形成完整的電路。各種燃料電池是基於使用不同的電解質以及電池大小而分類的,因此電池種類變得更多元化,用途亦更廣泛。由於以個體燃料電池計,單一顆電池只能輸出相對較小的電壓,大約0.7V,所以燃料電池多以串連或一組的方式制造,以增加電壓,配合應用需求。 另一方面,燃料電池產電後會產生水與熱,基於使用不同的燃料,有可能產生極少量二氧化碳和其他物質,對環境的污染比原電池及化石燃料發電廠少,是一種綠色能源。燃料電池的能量效率通常為40-60%之間;如果廢熱被捕獲使用,其熱電聯產的能量效率可高達85%。 燃料電池的市場正在增長,据派克研究公司(Pike Research)估計,到2020年固定式燃料電池市場規模將達到50 GW。.

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詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳,FRS(James Prescott Joule,),英國物理學家。焦耳在研究热的本质时,发现了热和功之间的转换关系,并由此得到了能量守恒定律,最终发展出热力学第一定律。国际单位制导出单位中,能量的单位——焦耳,就是以他的名字命名。他和开尔文合作发展了温度的绝对尺度。他还观测过磁致伸缩效应,发现了導體电阻、通過導體电流及其產生熱能之间的关系,也就是常称的焦耳定律。.

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赫尔曼·冯·亥姆霍兹

赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz,),德國物理學家、医生。.

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配分函数

配分函数(Partition function)是一个平衡態统计物理学中经常应用到的概念,經由計算配分函數可以将微观物理状态与宏观物理量相互联系起来,而配分函數等價於自由能,與路徑積分在數學上有巧妙的類似。 配分函数通常意指正則系綜中的配分函數,而其他的系綜,亦有其相對應的配分函數,如巨正則系綜對應巨配分函數。.

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英国

大不列颠及北爱尔兰联合王国(United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland),简称联合王国(United Kingdom,缩写作 UK)或不列颠(Britain),中文通称英国(中文世界早期亦称英联王国),是本土位於西歐並具有海外領地的主權國家,英國為世界七大國之一,位于欧洲大陆西北面,由大不列颠岛、爱尔兰岛东北部分及一系列较小岛屿共同组成。英国和另一国家唯一的陆上国境线位于北爱尔兰,和爱尔兰共和国相邻。英国由大西洋所环绕,东为北海,南为英吉利海峡,西南偏南为凯尔特海,同爱尔兰隔爱尔兰海相望。该国总面积达,为世界面积第80大的主权国家及欧洲面积第11大的主权国家,人口6510万,为全球第21名及歐洲第3名。 英国为君主立宪国家,采用议会制进行管辖。其首都伦敦为全球城市A++级别和国际金融中心,大都会区人口达1380万,为欧洲第三大和欧盟第一大。现在位英国君主为女王伊丽莎白二世,1952年2月6日即位。英国由四个构成国组成,分别为英格兰、苏格兰、威尔士和北爱尔兰,其中后三者在权力下放体系之下各自拥有一定的权力。三地首府分别为爱丁堡、加的夫和贝尔法斯特。附近的马恩岛、根西行政区及泽西行政区并非联合王国的一部分,而为王冠属地,英国政府负责其国防及外交事务。 英国的构成国之间的关系在历史上经历了一系列的发展。英格兰王国通过1535年和1542年的《联合法令》将威尔士纳入其领土范围。1707年的条约使英格兰和苏格兰王国联合成为大不列颠王国,而1801年后者则进一步同爱尔兰王国联合成为大不列颠及爱尔兰联合王国。1922年,爱尔兰的六分之五脱离联邦,由此便有了今日的大不列颠及北爱尔兰联合王国。大不列颠及北爱尔兰联合王国亦有14块海外领地,为往日帝国的遗留部分。大英帝国在1921年达到其巅峰,拥有全球22%的领土,是有史以来面积最大的帝国。英国在语言、文化和法律体系上对其前殖民地保留了一定的影响力,因而吸引許多以前英聯邦的移民前來居住。 英国为发达国家,以名义GDP为量度为世界第五大经济体,以购买力平价为量度为世界第九大经济体。英国同时还是世界首个工业化国家,在1815年-1914年为世界第一强国,现今仍是強國之一,在全球范围内的经济、文化、军事、科技和政治上有显著影响力。英国为国际公认的有核国家,其军事开支位列全球第五 (IISS)。自1946年以来,英国即为联合国安全理事会常任理事国,而自1973年以来即为欧洲联盟(EU)及其前身欧洲经济共同体(EEC)的成员国,同时还为英联邦、欧洲委员会、七国财长峰会、七国集团、二十国集团、北大西洋公约组织、经济合作与发展组织和世界贸易组织成员国。2016年英國脫離歐盟公投中,英国民众决定脱离欧盟,但因間接影響全球經濟,所以並未得到多數國家支持。.

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英语

英语(English,)是一种西日耳曼语言,诞生于中世纪早期的英格兰,如今具有全球通用语的地位。“英语”一词源于迁居英格兰的日耳曼部落盎格鲁(Angles),而“盎格鲁”得名于临波罗的海的半岛盎格里亚(Anglia)。弗里西语是与英语最相近的语言。英语词汇在中世纪早期受到了其他日耳曼族语言的大量影响,后来受罗曼族语言尤其是法语的影响。英语是将近六十个国家唯一的官方语言或官方语言之一,也是全世界最多國家的官方語言。它是英国、美国、加拿大、澳大利亚、爱尔兰和新西兰最常用的语言,也在加勒比、非洲及南亚的部分地区被广泛使用。它是世界上母语人口第三多的语言,仅次于汉语和西班牙语。英语是学习者最多的第二外语跟學習者最多的第一外語,是联合国、欧盟和许多其他国际组织的官方语言。它是使用最广泛的日耳曼族语言,至少70%的日耳曼语族使用者说英语。 英语有1400多年的发展史。公元5世纪,盎格魯-撒克遜人把他们的各种盎格鲁-弗里西语方言带到了大不列顛島,它们被称为古英语。中古英语始于11世纪后期的诺曼征服,这一时期英语受到了法语的影响。15世纪末伦敦对印刷机的采用、《钦定版圣经》的出版及元音大推移标志了近代英语的开端。通过大英帝国对全球的影响,现代英语在17世纪至20世纪中叶传播到了世界各地。通过各种印刷和电子媒体,随着美国取得全球超级大国地位,英语已经成为了国际对话中居领导地位的世界語言。它还是许多地区和行业(如科学、导航、法律等)的通用语。 现代英语和很多其他语言相比屈折变化较少,更多地依靠助動詞和语序来表达复杂的时态、体和语气,以及被動語態、疑问和一些否定。英语的各种口音和方言在发音和音位方面有显著差异,有时它们的词汇、语法和拼法也有所不同,但世界各地说英语的人能基本无碍地沟通交流。.

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電化電池

電化電池包含兩種類型,一類是發生化學反應(氧化還原反應)將化學能轉為電能的裝置,又稱伽凡尼電池;另一種則是輸入電能引發化學反應的電解池。.

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正则系综

正则系综 (canonical ensemble)是统计力学中系综的一种。它代表了许多具有相同温度的体系的集合。正则系综是最普遍应用的系综。 正则系综内每个体系的粒子数和体积都是固定的。但每个体系都可以和系综内其他体系交换能量。同时系综里所有体系的能量总和,以及体系的个数是固定的。在这些条件下,当系综内所有体系被分配到不同的微观态上,我们发现:处于每个微观态的体系的个数正比于\exp(-\beta E)\,。其中\beta.

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态函数

在熱力學中, 热力学函数(State function),或称热力学参数、狀態函數,是描述热力学系统的宏观物理量。处于平衡态的热力学系统,各宏观物理量具有确定的值,并且这些物理量仅由系统所处的状态所决定,与达到平衡态的过程无关,所以也被称之为状态函数。其中包含了“热力学势”,热力学势特指下面提到的四个具有能量量纲的热力学函数。 熱力學系统的狀態函数一般存在一定的相互依存关系。如理想氣體的狀態方程式中,可以任意选取其中的兩個狀態函數為独立变量,而把其他的統計量看作它们的函数。热力学函数之间的依存关系具有普适性。.

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