上海大学钢铁冶金专业生课程

*,上海大学,钢铁冶金专业研究生课程,吴永全,冶金热力学,Metallurgical Thermodynamics,主讲：吴永全,上海大学现代冶金及材料制备国家重点实验室培育基地,研究生课程,冶金热力学,2024/11/28,1.,没有固定的课本，因为当前的知识日新月异，授课要求和授课内容也跟着变化；,2.,主要需要靠各位的课后自学，以便消化吸收我课堂上所讲解的内容；,3.,按道理，本科的学习就应该是一个自学能力的训练，但事实是大部分学生到研究生阶段仍然没有好的自学能力和自学习惯，请记住：从现在开始系统培养自己的自学能力还为时未晚；,研究生课程,冶金热力学,2024/11/28,冶金热力学,授课内容,授课内容,统计热力学基础,物理化学基础,冶金热力学,氧化还原反应,化学反应自由能、焓、熵,组元与活度,活度相互作用系数与标准态,活度的计算与试验测定,化学平衡与相平衡,优势区相图和相律,熔渣结构与性能,微观结构与宏观属性,4,学时,4,学时,32,学时,2024/11/28,冶金热力学,授课内容,授课内容,氧化还原反应,化学反应自由能、焓、熵,组元与活度,活度相互作用系数与标准态,活度的计算与试验测定,化学平衡与相平衡,优势区相图和相律,熔渣结构与性能,微观结构与宏观属性,统计热力学基础,物理化学基础,冶金热力学,统计热力学基础,2024/11/28,冶金热力学,统计热力学基础,参考书目,彭桓武，徐锡申著，,理论物理基础,，北京大学出版社，,1998,，第七章和第十三章,天津大学物理化学教研室编，,物理化学,，高等教育出版社，,1979,，第七章,R.P.H.Gasser and W.G.Richards,Entropy and energy levels,Clarendon Press,Oxford,1974,赵成大，梁春余编著，,统计热力学导论,，吉林人民出版社，,1983,2024/11/28,冶金热力学,统计热力学基础,目录,基本概念,1,相空间和,Hamilton,方程,2,系统和系综,3,熵与微观状态分布,4,基本概念,1,配分函数,5,2024/11/28,冶金热力学,统计热力学基础,基本概念,超微观,小于普朗克长度和时间的尺度，量子力学起作用；,微观,原子和分子是可分辨的尺度，量子力学起作用；,介观,介于微观和宏观之间，原子和分子不可分辨，即物质是连续介质，但主要是量子力学起作用；,宏观,人的肉眼能够触及到的尺度，经典力学起作用；,巨观,以光年为基本度量单位的尺度，经典力学起作用。,Microscopic,Macroscopic,Ultramicroscopic,Mesoscopic,Giganscopic,2024/11/28,冶金热力学,统计热力学基础,基本概念,体系,由基本微观粒子组成的宏观热力学研究对象；,状态,与一组状态函数（,T,、,P,、,V,等）相关联的体系的平衡态（,经典热力学解释,宏观状态,）；,同一瞬间，体系中所有微观粒子所具有的微观运动状态的综合（,统计力学解释,微观状态,）。,平衡,给定（热力学）条件下的能量最低状态。,System,State,Equilibrium,2024/11/28,冶金热力学,统计热力学基础,基本概念,微观状态描述：,单个原子：,3,个坐标值和,3,个速度值（或动量值）,两个原子：,6,个坐标值和,6,个动量值,n,个原子：,3,n,个坐标值和,3,n,个动量值,运动自由度：,3,n,2024/11/28,冶金热力学,统计热力学基础,基本概念,微观状态描述：,对于有,n,个原子的分子而言：,运动自由度,3n,线性分子,2,非线性分子,3,平动自由度,3,转动自由度,振动自由度,线性分子,3n-5,非线性分子,3n-6,电子量子数,核量子数,量子力学,经典力学,平动、转动、振动、（电子、核）,2024/11/28,n,个粒子的分,子,子,N,个粒子的宏,观,观体系,自由度：,3n,3N,广义空间坐标,f,：,3n,3N,广义动量坐标,f,：,3n,3N,相空间：,-,空间或,-,相宇,-phase space,-,空间或,-,相宇,-phase space,相空间中的,任,任意一点表,示,示对应体系,的,的一个具体,的,的微观状态,；,；,构成相空间,的,的,2,f,个坐标轴相,互,互正交。,冶金热力学,统计热力学,基,基础,基本概念,2022/12/8,统计体系的,分,分类：,按粒子可否,分,分辨,定域子体系,（,（,localizedsystem,）,离域子体系,（,（,non-localized system,）,按粒子是否,相,相互作用,独立子体系,（,（,independent particles,）,相依粒子体,系,系（,interacting particles,）,独立子系,相依子系,相互作用势,冶金热力学,统计热力学,基,基础,基本概念,2022/12/8,冶金热力学,统计热力学,基,基础,目录,基本概念,1,相空间和,Hamilton,方程,2,系统和系综,3,熵与微观状态分布,4,基本概念,1,相空间和,Hamilton,方程,2,配分函数,5,2022/12/8,冶金热力学,统计热力学,基,基础,相空间和,Hamilton,方程,1,）坐标空间,速度空间,x,y,(,x,n,y,n,t,n,),(,x,n,+1,y,n,+1,t,n,+1,),(,v,x,n,+1,v,y,n,+1,t,n,+1,),v,x,v,y,(,v,x,n,+1,v,y,n,+1,t,n,+1,),2,）坐标,-,动量空间,q,(,x,y,z,),p,(p,x,p,y,p,z,),(,q,n,p,n,t,n,),(,q,n,+1,p,n,+1,t,n,+1,),q,坐标,p,动量,x,y,坐标,v,x,v,y,速度,相空间或相,宇,宇,phasespace,(,一种抽象的,数,数学空间概,念,念,),2022/12/8,冶金热力学,统计热力学,基,基础,相空间和,Hamilton,方程,提问：,1).,对于,3,维空间中的,一,一个原子，,需,需要一个几,维,维的相空间,来,来描述它？,分,分别是哪几,维,维？,6,维，,3,维坐标，,3,维动量,-,空间或,-,相宇，,-phase space,2).,对于,3,维空间中的,n,个原子组成,的,的宏观体系,，,，需要一个,几,几维的相空,间,间来描述它,？,？分别是哪,几,几维？,6n,维，,3n,维坐标，,3n,维动量,-,空间或,-,相宇，,-phase space,相空间上的,一,一个点：对,应,应一个具体,的,的微观状态,；,；,相空间上的,一,一条线：对,应,应一个运动,规,规律，或者,演,演化过程，,称,称为相迹或,相,相轨道。,2022/12/8,冶金热力学,统计热力学,基,基础,相空间和,Hamilton,方程,一维谐振子,(One-dimensionharmonic oscillator),势能：,作用力：,描述方程：,频率：,如何对其在,相,相空间中进,行,行描述？,2022/12/8,冶金热力学,统计热力学,基,基础,相空间和,Hamilton,方程,x,p,x,一维谐振子,(One-dimensionharmonic oscillator),a,b,一维谐振子,是,是保守系，,即,即总能量守,恒,恒，这样的,体,体系在对应,的,的二维相空,间,间中是一个,椭,椭圆。这就,是,是具有能量,E,的谐振子的,相,相点在相空,间,间中的相轨,迹,迹。,相轨道,相积分,二维相空间,等能量线,相面积,多维相空间,等能量面,相体积,2022/12/8,冶金,热,热力,学,学,统计,热,热力,学,学基,础,础,相空,间,间和,Hamilton,方程,对一,维,维谐,振,振子,的,的描,述,述实,际,际上,是,是基,于,于,Newton,运动,定,定律,的,的二,阶,阶微,分,分运,动,动方,程,程式,：,：,将上,述,述二,阶,阶微,分,分运,动,动方,程,程式,化,化成,两,两个,一,一阶,微,微分,方,方程,：,：,把笛,卡,卡尔,坐,坐标,x,推广,到,到广,义,义坐,标,标,q,，相,应,应的,动,动量,p,x,推广,为,为广,义,义动,量,量,p,，能,量,量,E,推广,为,为广,义,义能,量,量函,数,数,H,(,q,p,),H,(,q,p,),叫做,Hamilton,函数,。,。,Hamilton,函数,可,可以,看,看做,是,是用,坐,坐标,和,和共,轭,轭动,量,量表,示,示的,总,总能,量,量,(,动能,与,与势,能,能之,和,和,),那,么,么，,对,对一,维,维运,动,动有,一,一绍,方,方程,：,：,Hamilton,方程,2022/12/8,冶金,热,热力,学,学,统计,热,热力,学,学基,础,础,相空,间,间和,Hamilton,方程,对自,由,由度,为,为,f,的体,系,系的,Hamilton,运动,方,方程,：,：,p,=,p,1,p,2,p,f,q,=,q,1,q,2,q,f,H,=,V,+,U,H,：,Hamilton,函数,；,；,V,：体,系,系动,能,能；,U,：体,系,系势,能,能。,2022/12/8,冶金,热,热力,学,学,统计,热,热力,学,学基,础,础,目录,基本概念,1,相空间和,Hamilton,方程,2,系统和系综,3,熵与微观状态分布,4,基本概念,1,相空间和,Hamilton,方程,2,系统和系综,3,配分函数,5,2022/12/8,冶金热力学,统计热力学,基,基础,系统与系综,研究的宏观,体,体系包含大,量,量粒子（,10,23,）,经典力学的,运,运动方程无,法,法求解,求助于概率,理,理论，统计,平,平均方法,某个性质是,多,多次测量的,平,平均,每次测量在,微,微观上很长,时,时间,微观上的时,间,间平均,微观状态的,集,集合平均,系综,2022/12/8,冶金热力学,统计热力学,基,基础,系统与系综,系统（,system,）,：相空间中,的,的一个点。,系综（,Ensemble,）,：相空间中,具,具有相同热,力,力学性质的,所,所有点的集,合,合。,相密度或系,综,综密度,：相空间中,单,单位体积内,相,相点的数量,。,。,相点几率密,度,度或系综分,布,布函数,：,2022/12/8,冶金热力学,统计热力学,基,基础,系统与系综,对某个物理,量,量,G,(,q,p,t,),，求它在整,个,个相空间中,的,的平均值：,时间平均假,设,设：,被研究体系,某,某性质的时,间,间平均值等,于,于这个性质,的,的系综平均,值,值,各态历经假,设,设,(Ergodic Hypothesis),：,在宏观时域,范,范围内，微,观,观状态点将,以,以一定的几,率,率游遍相空,间,间中等状态,面,面的所有区,域,域,2022/12/8,冶,金,金,热,热,力,力,学,学,统,计,计,热,热,力,力,学,学,基,基,础,础,系,统,统,与,与,系,系,综,综,著,名,名,的,的,刘,刘,维,维,(Liouville),定,理,理,：,：,相,空,空,间,间,中,中,保,保,守,守,系,系,(conservation),的,相,相,密,密,度,度,或,或,相,相,分,分,布,布,函,函,数,数,守,守,恒,恒,。,。,推,论,论,一,一,：,：,保,守,守,系,系,(conservation),的,相,相,体,体,积,积,守,守,恒,恒,。,。,推,论,论,二,二,：,：,保,守,守,系,系,(conservation),的,相,相,空,空,间,间,体,体,积,积,元,元,在,在,正,正,则,则,变,变,换,换,中,中,不,不,变,变,。,。,2022/12/8,冶,金,金,热,热,力,力,学,学,统,计,计,热,热,力,力,学,学,基,基,础,础,系,统,统,与,与,系,系,综,综,系,综,综,的,的,分,分,类,类,：,：,1)