大学物理热学部分习题.ppt

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1、专题三不可逆过程与温差电现象（参考热力学统计物理第五章）3-1关于不可逆过程的描述一、关于平衡态热力学1.可以给出可逆过程的足够信息热力学关系、平衡条件、平衡判据、变化规律2.可以给出不可逆过程的有限信息过程进行方向与限度、过程的总效应3.无法反映过程进行快慢——变化率二、不可逆过程热力学的基本问题如何描述过程的变化率和变化的因果关系1、两类不可逆过程：近平衡，线性——局域熵产生率远离平衡区——非线性理论：耗散结构2、熵产生率deS——熵流，源自热交换，可正可负；diS≥0——熵产生，系统内部不可逆性质体现变化率：作业：证明热传导过程的局域熵产生率与温度梯度的

2、平方成正比；证明纯扩散过程的局域熵产生率与化学势的平方成正比。局域平衡假设：在局域平衡条件下，开放系统的热力学基本微分方程Tds=du+pdv-idni对任一局域依然成立。方程是普适的；线性不可逆过程热力学的基本问题：结合过程特点求解方程得到局域熵产生率并研究其性质3、局域平衡假设局域：系统内宏观小（点）微观大（足够多分子）的区域局域平衡：在近平衡区有系统——非平衡，任意局域——近似为平衡特征：系统各种热力学量作为空间坐标的函数依然有意义3-2线性不可逆过程的基本规律一、不可逆过程的实验规律1、关于局域熵产生率的回顾：热传导纯扩散一般地线性不可逆过程热力学的

3、基本问题：根据具体过程中“流”与动力的实验规律（过程方程）求解（3-2-1）式2、几种典型的不可逆过程的方程归纳：某种物理量（强度量）的不均匀引起相应物理量（广延量）的输运。记强度量的不均匀性（梯度）为动力，相应物理量的输运为流量，则统一有热传导付里叶定律纯扩散斐克定律电流的欧姆定律牛顿粘滞定律二、昂萨格关系1、动理方程：k≠l时，代表交叉效应；Lkl称为动理系数，基本问题转化为对具体过程求Lkl；J和X的表达形式不唯一，在具体求解时要注意2、昂萨格关系：适当选择J和X的形式，使其满足（3-2-1），则有经验规律总结，但可由统计物理学证明；微观可逆性在宏观规律中

4、的反映。3-3温差电现象一、实验规律1、现象A、B接头处保持温差，由于温度梯度和化学势梯度的存在，出现5种效应：塞贝克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳热效应和热传导效应。其中前3种为温差电效应ABBTT+dTqTJqdV3-3温差电现象2、实验规律BB三种效应均独立可逆,但实际中总伴随着热传导和焦耳热两种不可逆过程．ATT+dTqTJqdVABB塞贝克效应：A与B两导体构成一回路，两个接头温差的存在使得回路中有电流产生，产生电流的电动势叫温差电动势．若二接头温差为T，温差电动势：是温差电偶的电动势，相应系数也是对电偶说的．可形式地认为每个导体有自己的温差

5、电动势系数:ATT+dTqTJqdVABB珀尔帖效应：当电流流过不同导体接头时将在接头处放出或吸收热量，其热流密度由两导体与温度定．解释：珀尔帖热流不是来自温度梯度，而是当电流从一导体流向另一导体时，带电粒子的能量（化学势）发生变化，并以吸热或放热的形式表现出来．特点：当电流反向，吸热与放热也跟着改变（可逆）ATT+dTqTJqdVABB汤母逊效应：如导体中存在温度梯度，通过电流时会放出或吸收附加的热量;特点：汤姆逊热也正比于电流密度，是可逆效应;单位时间单位体积的汤姆逊热:ATT+dTqTJqdVABB作业：1）将珀尔帖效应与热传导、汤母逊效应与焦耳热进

6、行比较，讨论它们各自之间的区别。2）对三个温差电效应公式进行量纲分析，给出三个系数的量纲和国际单位。1、定性讨论电流的焦耳热和由于温度梯度引起的热传导是不可逆的，因此总的结果是不可逆过程。系统中存在两种流：粒子流（电子流和电流）与热流（焦耳热、传导热、珀尔帖热和汤姆逊热）。相应的动力为化学势梯度（粒于流动力）与温度梯度（热流动力）。二、理论分析2、动理方程：根据设J1为电子流密度Jn，J2为热流密度，并取3、求解分析：3个未知的动理系数可以用实验系数表示，下面用电导率、导热系数、温差电动势系数来表达。1）欧姆定律在温度均匀与密度均匀时成立．当这两个条件满足时动理

7、方程第一式简化为对比欧姆定律得到2）若回路不闭合，则Jn=0，由动理方程第一式有即温度不均匀引起化学势不均匀，代入方程第二式表明Jn＝0时只有与▽T成正比的热流,即纯热传导．比较热传导定律得3）第一式左边写成电流密度，由化学势的表达式就有这说明电流是由两种不同的原因引起的：一是外电场E作用下产生的，另一种则是由非静电场E’产生的．由电学知道E’在回路上环积分就是塞贝克电动势.4、用以上二式讨论珀尔帖效应和汤姆逊效应：可证明温差电效应第二关系式：和第一关系式：作业：1、查阅介绍温差电现象的有关文献资料或网页，并进行归纳综述。2、证明温差电现象第一和第二关系式。