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将热力学公式打包带走:NVS法

已有 9081 次阅读 2016-3-7 21:56 |个人分类:热力学与统计物理|系统分类:科普集锦| 记忆, 公式, 热力学, 特性函数, 自然变量

将热力学公式打包带走:NVS法

 

热力学公式之多,给教与学带来了巨大挑战。为此,人们发明了各种各样的记忆方法,如热力学方块/滚轮[1]、坐标法[2-5]、顺口溜[5]、矢量表述[6]、能量派[7],极大地方便了记忆,但总是“为了记忆而记忆”。本文从特性函数出发,有技巧性地构建自然变量空间(Natural variable space, NVS),由此可以导出热力学的一系列公式,那将是为了忘却的记忆。该方法是已有的坐标法的发展,或多或少含有其他方法的影子,注入了一些新的技巧,更深刻、好记、好用,所以我宁愿将其回归到马休的特性函数,那才是真正地自然

0. 马休的特性函数

1869年,马休证明,对于适当选择的独立变量,只需知道一个热力学函数,就可以确定均匀系统的所有平衡态性质。该热力学函数称为“特性函数”,相应的独立变量称为“自然变量”。换句话说,热力学函数可以随便选,但其自变量不能随便选,只有选得合适,这个热力学函数就可以升格为特性函数,如E(S, y)F(T, y)G(T, Y)H(S, Y)都是特性函数,其中符号含义见附录。

1. 自然变量空间

基于特性函数,可以构建许多个以自然变量为坐标轴的直角坐标系,如图1(a-d),为方便记忆可以把它们“压缩”成一个“自然变量空间”,如1(e)中,剩下的只是去挖掘各种各样的函数关系,其中横轴和纵轴的两端的自变量分别为对偶自变量。对于简单系统,可以采用调整了纵坐标箭头方向的图1(f)好吧,这里故意选了EFGH这几个符号,分别对应到坐标系的第一、二、三、四象限,四个字母在字母表中正好连续,且前两个字母和对应的象限编号正好谐音。正如在坐标系中象限编号不必总是标出,故可以将特性函数的符号从图中略去,如1(f)中就没有标出。还可以注意到TSp以一种巧合的书写顺序出现,嗯,TSP正是热力学与统计物理(Thermodynamics and Statistical Physics)的英文缩写。


2. 应用

2.0 勒让德变换

热力学函数之间的关系,即勒让德变换,可以从一个象限变换另一个象限,加上或减去对偶自变量的乘积,符号取决于坐标轴的方向,如图2(a)是一个从其他热力学函数获得自由能F的很简单自明的例子。

2.1 热力学基本方程

在每个象限都会对应有一个热力学基本方程,如图2(b)是一个站在第二象限、以Ty为自然变量时的例子,图中两个箭头对应的偏微分分别给出了对应的对偶自变量,而符号取决于箭头和坐标轴箭头的投影是否同向。注意,图中使用圆圈表示所考虑的象限,如果箭头指向的象限是所考虑的象限,那么可以省略圆圈。

2.2 麦氏关系

在每个象限也会对应有一个麦氏关系,如图2(c)是一个站在第二象限、以Ty为自然变量时的例子,图中两个箭头对应的偏微分等数值,而符号取决于箭头和坐标轴箭头的投影是否同向。这将方便我们进行公式推导,即从一个箭头直接可以替换到另一个箭头。

2.3 链式关系

若三个变量组成的函数等于 0,如简单系统的物态方程f(p,V, T) = 0,则其变量之间的偏导数将存在一个链式关系,可以用一个带箭头的三角形来表示,如图2(d),其中需要注意求偏导数时的不变量(可以采用带线段的箭头来指明不变量。当箭头指向的象限就是所考虑的象限时,可以省略箭头前方的线段。)。根据链式关系,图中还展示了如何用两个偏导数来表示一个偏导数,即用两个箭头来代替一个箭头,用箭头投影相同的那一个除以投影相反的那一个(隐含使用了倒数关系),然后取负号即可,仔细体会一个例子将变得简单明了。这将为化为可测量提供一种简便的图解法。


2.n可测 vs. 不可测

对于简单系统,举一个将不可测量量化为可测量量的例子,如图3所示,其中先用了链式关系再用了麦氏关系,用图解法简单明了。


3. 推广

从封闭的单元系拓展到开放的单元系,即将二维拓展到三维,如图4所示,相应的热力学公式可以类似二维的情形给出。好吧,其实图中IKL这几个热力学函数在教科书上并未定义,这里只是讨巧引入的,不妨称为“无名势”。通过一些简单的规则可以从自然变量空间获得一系列的热力学关系式,非常方便、好记,不妨将该记忆方法简称为NVS。一方面,"NVS"是自然变量空间的英文缩写。另一方面,如果将广义位移y、广义力Y分别取为常用的体积V、压强p,那么E-象限的三个自然变量符号NVS和自然变量空间的英文缩写正好一致,注意此时y-轴的方向要改变,即从V指向p

嗯,“不管三七二十一”,总算可以把热力学的公式用“自然坐标空间”统统“打包”带走了。接下来,将统计物理公式也打包:ENVS



 

后记:索末菲说:“热力学是一门滑稽的学科。过一遍,你根本就理解不了。过两遍,你以为你懂了,除了一两个小点。过三遍,你知道自己不明白了,但至此你很是习惯了,它就不再烦你了。(Thermodynamics is a funny subject. The first time you go through it, you don’t understand it at all. The second time you go through it, you think you understand it, except for one or two small points. The third time you go through it, you know you don’t understand it, but by that time you are so used to it, it doesn’t bother you anymore)”。还真是那么回事!我于2001年春季在课堂上学习了热统课程。2014年春季当了热统助教并讲授了统计物理后半部分的课程,期间归纳了上述方法并向学生做了介绍。2015年春季独立讲授了热统课程,较详细地介绍了上述方法。

郑志军@科西

2016372016321小修

附录:符号列表

E 内能(热力学中常用 U 表示,而统计物理中常用 E 表示)
F 赫姆霍兹函数、自由能(化学中常用 A 表示)
G 吉布斯函数、吉布斯自由能、自由焓
H
I 无名势
J 巨热力学势、巨势、广势
K 无名势
L 无名势
p 压强
V 体积
y 广义位移
Y 广义力
T 温度
S
N 粒子数
μ 单个粒子的化学势
α 体胀系数
Cp 定压热容



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