初析固体物理学中平衡态的热力学条件

文志

摘要：固体物理学是指各种固态材料，它在人们的生活中普遍存在，且应用极为广泛，而本文就将在此基础上，对肖特基热平衡浓度热力学平衡条件进行分析和讨论，并通过计算的形式得出，肖特基热平衡浓度学平衡状态就是自由焓降最小的状态这一结论，同时还阐述了在压强为大气压或压强足够低的条件下，自由焓的最低自由衰变就是最低自由能F的计算结果。

关键词：固体物理;平衡态;热力学

1相关理论概述

1.1固体物理学

研究固体中各种粒子的微观结构、运动规律、物理性质及它们之间的关系的科学，就是固态物理，它是物理学、力学、热学、声学、电学、磁学和光学的重要分支。固态材料广泛存在，每一个时代的固态材料、固态设备和相关产品都有自己的特点。近代固体物理学是在20世纪的头40年诞生的。是所有先进材料技术的基础，其重要性不言而喻[1]。

1.2平衡态

在由大量气体分子组成的体系中，机械量，如温度和压力，通常转化为状态变量。尽管布朗运动中的每一个分子只要温度和压力不变就会运动，但是这个体系是平衡的吗？为了解决这一问题本文列举了化学反应系统中的平衡状态，试剂的恒定浓度，生态系统中两种物种共存的恒定数量，经济系统中的恒定供需。

1.3热力学

热力学并不关注由许多微观粒子构成的物质的微观结构，而只关注系统的热现象，因为所有的热现象，以及它们在变化和发展过程中所观察到的基本规律。利用温度、压力、体积和浓度等宏观状态可以很好地描述和确定系统的状态，这些状态是通过对各种热现象的观察和实验而得到的，这些宏观状态之间存在着一定的联系，它们的变化是相互制约的;此外，物质的性质必须具有一些热的基本规律，例如热力学零定律、热力学第一定律、热力学第二定律、热力学第三定律等。这是现象学理论的一部分，并由此得出的结论具有很高的可信度和普遍性[2]。

2平衡态热力学条件的基本分析

热力学基本等式与不等式为

在固体物理中，除了压力膨胀功之外，一般的力作用功都不存在，当体积发生变化时，可将公式简化为

对等温，等压系统，将上述方程中的自变量 s、 V转化为 T、 P，并得出相应的结果

式中，u-TS+PV是自由能，或吉布斯自由能过程进行的方向由决定;

如果自由焓是最小值的状态，那么系统就会和自由焓之间形成微妙的平衡，而对于温度均匀的系统，有

在这些能量中 F=u-ts就是自由能，人们常将其认为是亥姆霍兹自由能，在宏观等温功处于停止状态时，过程的进行方向由自由能决定[3]。

晶体是一种等温体系，压强均匀，晶体空位产生前后，晶体体积由 NΩ（N+ n）Ω增加，外部作功

P0就是大气压。该系统并非无宏观功的等温系统，在这里，它的平衡状态不能由最小自由能F进行判断，此时的平衡与最小自由焓Φ相等，当晶体的空位有n个时，自由焓Φ：

其中

Φ0=U0+p0NΩ是晶体自由焓，但是是无空位的状态;

U0是内能，晶体空间封闭不自由，

ω是自由空间的覆盖能。

通过从n导出上述公式，我们得到空位数，如果空位焓Φ是最小的，其式为：

下面作一定量分析.1 eV=1.6×10-19 J，它是一个空位形成能ω的典型数值，1 nm3是常规无机晶体原胞体积Ω的数量级，大气压p0=1.013×105 Pa，则

即空位形成能ω大于p03个数量级，所以ω +p0Ω≈ω，故式（9）可以写为

3分析和结论

与肖特基热平衡浓度问题相似，热力学平衡条件对螺旋桨效应浓度问题有限制，有限固溶体问题，固体物理中连续固溶体和高温熔体的相平衡应为最小自由焓Φ;最小自由焓Φ条件适用于压力通常是大气压，体积变化很小。式（2）可简化为

如果系統的温度恒等，就可以将以上公式的自变量S转换为T：

固体中等温过程进行的方向由决定，

4结论

也就是说，固体物理中的某些平衡态，热力学平衡条件常以自由能 F最小作为判断，系统要想达到平衡状态就需要达到最小自由能 F=U-TS。

参考文献

[1]夏炎，吴昕翀.局部热力学平衡态电弧等离子体的电导率计算研究[J].电气开关，2020，58（2）：19-23.

[2]杨世显.耦合扩散的非平衡态热力学的数学理论[D].重庆：重庆大学，2018.

（四川轻化工大学 644000）