初析固體物理學中平衡態(tài)的熱力學條件

文志

摘要：固體物理學是指各種固態(tài)材料，它在人們的生活中普遍存在，且應用極為廣泛，而本文就將在此基礎上，對肖特基熱平衡濃度熱力學平衡條件進行分析和討論，并通過計算的形式得出，肖特基熱平衡濃度學平衡狀態(tài)就是自由焓降最小的狀態(tài)這一結(jié)論，同時還闡述了在壓強為大氣壓或壓強足夠低的條件下，自由焓的最低自由衰變就是最低自由能F的計算結(jié)果。

關鍵詞：固體物理;平衡態(tài);熱力學

1相關理論概述

1.1固體物理學

研究固體中各種粒子的微觀結(jié)構、運動規(guī)律、物理性質(zhì)及它們之間的關系的科學，就是固態(tài)物理，它是物理學、力學、熱學、聲學、電學、磁學和光學的重要分支。固態(tài)材料廣泛存在，每一個時代的固態(tài)材料、固態(tài)設備和相關產(chǎn)品都有自己的特點。近代固體物理學是在20世紀的頭40年誕生的。是所有先進材料技術的基礎，其重要性不言而喻[1]。

1.2平衡態(tài)

在由大量氣體分子組成的體系中，機械量，如溫度和壓力，通常轉(zhuǎn)化為狀態(tài)變量。盡管布朗運動中的每一個分子只要溫度和壓力不變就會運動，但是這個體系是平衡的嗎？為了解決這一問題本文列舉了化學反應系統(tǒng)中的平衡狀態(tài)，試劑的恒定濃度，生態(tài)系統(tǒng)中兩種物種共存的恒定數(shù)量，經(jīng)濟系統(tǒng)中的恒定供需。

1.3熱力學

熱力學并不關注由許多微觀粒子構成的物質(zhì)的微觀結(jié)構，而只關注系統(tǒng)的熱現(xiàn)象，因為所有的熱現(xiàn)象，以及它們在變化和發(fā)展過程中所觀察到的基本規(guī)律。利用溫度、壓力、體積和濃度等宏觀狀態(tài)可以很好地描述和確定系統(tǒng)的狀態(tài)，這些狀態(tài)是通過對各種熱現(xiàn)象的觀察和實驗而得到的，這些宏觀狀態(tài)之間存在著一定的聯(lián)系，它們的變化是相互制約的;此外，物質(zhì)的性質(zhì)必須具有一些熱的基本規(guī)律，例如熱力學零定律、熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱力學第三定律等。這是現(xiàn)象學理論的一部分，并由此得出的結(jié)論具有很高的可信度和普遍性[2]。

2平衡態(tài)熱力學條件的基本分析

熱力學基本等式與不等式為

在固體物理中，除了壓力膨脹功之外，一般的力作用功都不存在，當體積發(fā)生變化時，可將公式簡化為

對等溫，等壓系統(tǒng)，將上述方程中的自變量 s、 V轉(zhuǎn)化為 T、 P，并得出相應的結(jié)果

式中，u-TS+PV是自由能，或吉布斯自由能過程進行的方向由決定;

如果自由焓是最小值的狀態(tài)，那么系統(tǒng)就會和自由焓之間形成微妙的平衡，而對于溫度均勻的系統(tǒng)，有

在這些能量中 F=u-ts就是自由能，人們常將其認為是亥姆霍茲自由能，在宏觀等溫功處于停止狀態(tài)時，過程的進行方向由自由能決定[3]。

晶體是一種等溫體系，壓強均勻，晶體空位產(chǎn)生前后，晶體體積由 NΩ（N+ n）Ω增加，外部作功

P0就是大氣壓。該系統(tǒng)并非無宏觀功的等溫系統(tǒng)，在這里，它的平衡狀態(tài)不能由最小自由能F進行判斷，此時的平衡與最小自由焓Φ相等，當晶體的空位有n個時，自由焓Φ：

其中

Φ0=U0+p0NΩ是晶體自由焓，但是是無空位的狀態(tài);

U0是內(nèi)能，晶體空間封閉不自由，

ω是自由空間的覆蓋能。

通過從n導出上述公式，我們得到空位數(shù)，如果空位焓Φ是最小的，其式為：

下面作一定量分析.1 eV=1.6×10-19 J，它是一個空位形成能ω的典型數(shù)值，1 nm3是常規(guī)無機晶體原胞體積Ω的數(shù)量級，大氣壓p0=1.013×105 Pa，則

即空位形成能ω大于p03個數(shù)量級，所以ω +p0Ω≈ω，故式（9）可以寫為

3分析和結(jié)論

與肖特基熱平衡濃度問題相似，熱力學平衡條件對螺旋槳效應濃度問題有限制，有限固溶體問題，固體物理中連續(xù)固溶體和高溫熔體的相平衡應為最小自由焓Φ;最小自由焓Φ條件適用于壓力通常是大氣壓，體積變化很小。式（2）可簡化為

如果系統(tǒng)的溫度恒等，就可以將以上公式的自變量S轉(zhuǎn)換為T：

固體中等溫過程進行的方向由決定，

4結(jié)論

也就是說，固體物理中的某些平衡態(tài)，熱力學平衡條件常以自由能 F最小作為判斷，系統(tǒng)要想達到平衡狀態(tài)就需要達到最小自由能 F=U-TS。

參考文獻

[1]夏炎，吳昕翀.局部熱力學平衡態(tài)電弧等離子體的電導率計算研究[J].電氣開關，2020，58（2）：19-23.

[2]楊世顯.耦合擴散的非平衡態(tài)熱力學的數(shù)學理論[D].重慶：重慶大學，2018.

（四川輕化工大學?644000）