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熱力學名詞定義與介紹
2017/10/19 18:04
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名詞定義: 熱力學thermodynamics, 源自十九世紀工業革命, engine可以把熱能轉換成機械能,如何100%轉換辦不到,轉而研究如何高效轉換!機械系研究主題之一

甚麼東西決定自然界事物的行為變化? 以能量觀點解釋

熱力學的重點: 1. 計算能量的變化(狀態之間的變化), heat capacity→T, P e.g. 結晶材料中空位的平衡濃度,雜質的溶解度 2. 尋找某種環境條件的平衡態

巨觀上探討即是古典熱力學;微觀上從粒子(原子,分子,電子)行為表現出巨觀的變化,探討統計熱力學: 粒子的分布機率去解釋內能,的熱力名詞

thermodynamics in material, in terms of component(element, compound)

one component(unary)         binary, ternary, quaterary(multi-component)

homogeneous                       hetrogeneous

closed system                       open system

non-reacting                         reacting

simple system(Q,W,H,U...)  complex system(ℰ,ℳ,Opt...)

thermodynamic variables操作的變數: T, P, V, n, U, H, S, A,

可以是狀態函數Z的變數, state 1 →→ state 2 ∆Z=Z₂-Z

數學上稱狀態函數和變數,與路徑無關, state function: T, P, V, n, U, H, S, A, Z=²dz

process variable: Q, W 與路徑有關  ΔZ=??=∫ₚₐₜₕδZ

state 1 →→ state 2 ∆Z=Z₂-Z₁=²dz, dz=0 cycle.

δQ →→ ΔQ=∫ₚₐₜₕδQ, δQ≠0  p.s.指巨觀變化量,由微觀變化量積分而成

δWᵣₑᵥₑᵣₛᵢₗₑ=Fdx=PdV  p.s. δ指與路徑有關的微觀變化;d指與路徑無關的微觀狀態變化

Intensive variables: T, P, ρ(g/cm³), Xᵢ(mole fraction) mass, size, moles無關的變數

Extensive variables: n, U, H, S, A, Gdepend on mass, size.

state: systemproperties已固定→狀態即被固定, in fact, 少數的properties被固定, 其餘的properties也被固定,稱為少數的propertiesindependent variable, 其餘的propertiesstatedependent variable.

實驗上, 以P, Tindependent variable較方便

ex. V=V(P, T), Va Vc

path I: a b c

a b isothermal at T₁, Vb - Va=ᴩ₁ᴾ₂(V∕∂P)ᴛ₁dP

b c isobaric at P₂, Vc - Vb=ᴛ₁(V∕∂T)ᴘ₂dT

Vc - Vₐ =ᴩ₁ᴾ₂(V∕∂P)ᴛ₁dP+ᴛ₁(V∕∂T)ᴘ₂dT

path II: a → d → c, Vc - Va=ᴩ₁ᴾ₂(V∕∂P)ᴛ₂dP+ᴛ₁(V∕∂T)ᴘ₁dT

if ∆Vₚₐₜₕ₋₁=∆Vₚₐₜₕ₋₂, V=V(T, P) state function → dV exact differential

dV=(V∕∂P)dP+ (V∕∂T)dT   V=V(P, T) i.e. setting M=(V∕∂P), N=(V∕∂T)

相反的, if (N∕∂P)=(M∕∂T)ᴘ dV exact differential and V=V(T, P) state function

e.g. W=W(x,y,z) → dW=(W∕∂x)y,zdx+(W∕∂y)x,z dy+(W∕∂z)x,y dz

setting (W∕∂x)y,z=X, (W∕∂y)x,z=Y, (W∕∂z)x,y=Z

if X∕∂y=∂Y∕∂x, ∂Y∕∂z=∂Z∕∂y, ∂X∕∂z=∂Z∕∂→ dW exact differential and W=W(x,y,z) state function.



Appendix B ex.-1 verify W=x²y³+xzstate function or not?

state function Z(x,y): state 1 →→ state 2 , Z=Z-Z=²d

dz=(Z∕∂x)ydx+(Z∕∂y)xdy=Mdx+Ndy  i.e. x, y 是自變數

 

Eq. of State (ideal gas) V=V(T,P)=?

1. Boyle: P ~ 1/V at constant temperature T. If P₀ → P, PV(T,P₀)=PV(T,P)....(1)

2. Charles: V ~ T at constant pressure P. If T₀ → T, V(T₀,P₀)/T₀=V(T,P₀)/T....(2)

(2)代入(1), P₀(T/T₀)V(T₀,P₀)=PV(T,P)→PV(T₀,P₀)/T₀=PV(T,P)/ T=c₀  PV/T₀=PV/T

 

Avogadros hypothsis: “g-mole” ideal gas at T=0℃, P=1 atm, its volume=22.4l

Gas constant, R=(1atm22.4l)/(273Kmole)=0.082057(atml/Kmole)=8.314J/moleK=1.987 cal/Kmole

Equation of state PV=RT 一莫耳理想氣體方程式or PV=nRT i.e. V=V/n

molar quantity: V, U....(intensive)

work units

1 atm=1.0132×105 Nt/m2≈ 105 Pa=1013 hPa(百帕) 1 l×1 atm=1.0132×102 J

*temperature scale: H₂O ice point: 0℃ 32℉

boiling: 100℃ 212℉

1802 Louis & Lussac 發現永久氣體熱膨脹係數 α=1/V(V∕∂T)=c=1/273.16

相圖組成物

系統所含組成物(component): 化學元素及化合物, ex. Fe, Fe3C, CO2

組成物數目可區分為 單元系統, 二元系統...

*均質(homogeneous): 區域內一點到另一點沒有不連續的變化, ex. 單相內

若為兩相, 三相存在稱為非均質 ex. 相界上

 

 

 

 

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