巨熱力學勢

巨熱力學勢

巨熱力學勢是統計力學中使用的一個量,特別是在開放系統的不可逆過程里使用。在統計力學中,它作為巨正則系綜的特性函式出現。

基本介紹

  • 中文名:巨熱力學勢
  • 外文名:Grand potential
  • 學科:物理
定義,朗道自由能,均相系的巨熱力學勢,理想氣體的巨熱力學勢,

定義

巨熱力學勢一般記作
,其定義為
是內能,
是系統的溫度,
是熵,
是化學勢,
是系統中的粒子數。
巨熱力學勢的改變數為
這裡
壓強
為體積。該等式推導過程中用到了熱力學基本關係。
當系統達到熱力學平衡
有最小值。這一點可由等溫定容、化學勢恆定的條件下
自然得出。

朗道自由能

一些文獻中會提到朗道自由能或朗道勢能:
這以俄羅斯物理學家列夫·朗道命名。視系統具體的定義,它可能是巨熱力勢的同義詞。對於均相系統,一般有

均相系的巨熱力學勢

對於一標度伸縮不變的體系(即由
個全同子系統
組合而成的大系統
)而言,當我們試圖擴大此系統的體積而保持系統狀態均一穩定時,必然有新的粒子和更多能量從粒子源湧入該系統。在這過程中,壓強作為強度性質,將不隨體積的變化而改變:
同時粒子數和其它的廣延性質(內能、焓、熵等性質)將與系統的體積成正比:
由此容易得到
以及
對於巨熱力勢的一種直觀的理解方式是,它等於我們在將系統“擠壓”到體積為零的過程中所能獲得的能量(注意,在此過程中,系統會將其全部粒子重新釋放入粒子源中)。巨熱力勢是個負值,這是因為進行這種“擠壓”實際上需要外界對系統做功。
不過,以上推導過程中用到的這種標度不變性在多數實際系統中並不存在。例如,對於單個分子甚或一塊金屬中所有電子所組成的系統,增加其體積並不改變其中的電子數目。一般而言,對於體積過小的系統,或各部分之間存在長程相互作用(所謂長程是指,作用發生的尺度不亞於熱力學極限的尺度)的系統,

理想氣體的巨熱力學勢

對於理想氣體
這裡
是巨配分函式,
是波爾茲曼常數,
是粒子1的配分函式且
等於
。式中
的是玻爾茲曼因子。

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