热力学第三定律
《热力学第三定律》课件
随着科学技术的不断发展，人们对热力学第三定 律的理解和应用也在不断深入。
02
热力学第三定律在实践中的应用
热力学温标的建立
绝对温标
热力学第三定律指出，绝对零度是不 可能达到的，因此绝对温标以绝对零 度作为起始点，用于描述系统的最低 能量状态。
摄氏温标和华氏温标
高效制冷应用
新型制冷技术将广泛应用于各种领域，如超导技术、量子计 算、生物医疗等，为这些领域的发展提供重要的技术支持。
热力学与可持续发展的关系
节能减排
热力学理论在节能减排技术中发挥着重要作 用，如热回收、余热利用等，有助于降低能 源消耗和减少温室气体排放。
清洁能源
热力学原理在太阳能、风能等可再生能源的 转换和利用中也有广泛应用，为可持续发展 提供了重要的技术支持。
详细描述
热力学第二定律是关于热现象的宏观规律，但它的原理 可以推广到其他物理领域。例如，在电磁学中，类似于 热力学第二定律的“洛伦兹力不做功”原理指出磁场和 电场不会自发地相互转化而不引起其他变化。在量子力 学中，类似于热力学第二定律的“量子不可逆性”原理 指出量子态演化是不可逆的，即一旦一个量子态发生演 化，就无法回到原来的状态。这些推广都表明了热力学 第二定律在物理学中的普适性。
宇宙尺度的挑战
在宇宙尺度上研究热力学第三定律面临许多挑战和困难，如观测数据有限、理论模型的不完善等。科学 家们正在不断努力探索宇宙尺度的热力学规律，以更好地理解宇宙的起源、演化和终极命运。
05
热力学第三定律的未来展望
新型制冷技术的发展
新型制冷技术
随着科技的不断发展，新型制冷技术如磁制冷、热声制冷等 正在逐步取代传统的气体压缩制冷，它们具有更高的能效比 和更环保的特性。
热力学第三定律
热力学第三定律热力学是一门研究物质能量转化和传递规律的科学，它对于我们理解物质世界的运行机制至关重要。
在热力学中，有一个被称为热力学第三定律的重要法则，它是关于温度和物质性质之间的关系。
热力学第三定律是由瓦尔特尔(Walther Nernst)在1906年提出的，它是在研究物质在零度绝对温度附近的行为时所得出的重要规律。
该定律的表述较为复杂，但其实质是指任何物质在零度绝对温度（-273.15摄氏度）时，其熵（即随机程度）趋近于零。
在理解热力学第三定律之前，我们先来简单了解一下熵的概念。
熵是热力学中一个核心概念，它描述了物质的无序程度或者说随机程度。
当物质的熵越高，可以认为物质的无序程度越高，反之，熵越低，无序程度越低。
根据热力学第三定律，当温度趋近于绝对零度时，物质的熵趋近于零。
也就是说，在绝对零度时，物质的无序程度达到最低，接近于一个完全有序的状态。
这个状态被称为绝对零度极限。
绝对零度是热力学温度的下限，也是所有温度的基准点，它对应于物质所有原子和分子的基态状态。
在绝对零度下，物质的分子将停止运动，不再具有热能，也就是说，任何物质在绝对零度时都没有热能。
热力学第三定律在科学研究中具有重要的意义。
首先，它为我们提供了一个温度的基准点，方便我们研究物质在不同温度下的性质和行为。
其次，它对于研究凝聚态物质的性质变化、相变等方面有着重要的指导意义。
此外，热力学第三定律还被应用于研究冷冻技术、超导材料等领域。
研究者们为了验证热力学第三定律，进行了大量实验研究。
通过使用低温技术和实验手段，研究人员成功地制冷物体至接近绝对零度的温度，并在这些实验中观察到物质的熵趋近于零的现象，从而证明了热力学第三定律的正确性。
总之，热力学第三定律是热力学中的重要法则，它揭示了温度和物质无序程度之间的关系。
这一定律在科学研究和技术应用中具有重要的意义，为我们认识物质世界提供了重要的理论基础。
通过对热力学第三定律的深入研究，我们可以更好地理解和探索物质的性质变化规律。
热力学第三定律
lim ∆C p = 0 T →0
（3）物质的 p和CV随热力学温度同趋于零 ）物质的C
lim C p = lim CV = 0 T →0 T →0
（4）下列四个关系是正确的 ）
lim( ∂S )T = 0 T → 0 ∂p lim( ∂V ) p = 0 T → 0 ∂T
lim( ∂S )T = 0 T → 0 ∂V ∂p ) = 0 lim( T →0 ∂T V
热力学第二定律只定义了过程的熵变,而没有定义熵 热力学第二定律只定义了过程的熵变 而没有定义熵 本身. 的确定，有赖于热力学第三定律的建立. 第三定律的建立 本身 熵的确定，有赖于热力学第三定律的建立
1902年美国科学家雷查德 年美国科学家雷查德(T.W.Richard)在研究低温 在研究低温 年美国科学家雷查德 在研究 电池反应时发现：电池反应的∆ 和 随着温度的降 电池反应时发现：电池反应的∆G和∆H随着温度的降 低而逐渐趋于相等,而且两者对温度的斜率随温度同 低而逐渐趋于相等 而且两者对温度的斜率随温度同 趋于一个定值: 趋于一个定值
通过量热方法物质的所谓绝对熵（ 通过量热方法物质的所谓绝对熵（由可逆过程的 热温商求得），这样定出的熵实际上是量热熵 热温商求得），这样定出的熵实际上是量热熵（随温 ），这样定出的熵实际上是量热熵（ 度而变的熵），又称为热力学第三定律熵 度而变的熵），又称为热力学第三定律熵。 ），又称为热力学第三定律熵。
Cp,mdT T aT 3dT 1 3 1 Θ Θ Θ Sm (T ) − Sm (0K ) = ∫ =∫ = aT = Cp,m (T ) 0K 0K T T 3 3
T
ө
其次，有些物质在 附近并不是完美晶体 附近并不是完美晶体， 其次，有些物质在0K附近并不是完美晶体， 该无序状态的熵称为残余熵，用量热法测不出来， 该无序状态的熵称为残余熵，用量热法测不出来， 常用Boltzmann关系式对此估算。 关系式对此估算。 常用 关系式对此估算 S=klnΩ Ω
热学四大定律
热学四大定律
热力学四定律通常指的是：
1. 热力学第一定律，也就是能量守恒定律，表明在一个封闭的系统中，能量不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
2. 热力学第二定律，即熵增加定律，表明在自然过程中，一个孤立系统的熵（反映混乱程度的度量）总是增加的。
3. 热力学第三定律，即绝对零度不可达到定律，表明我们无法将一个物体冷却到绝对温度的零度。
4. 热力学第零定律，该定律确定了温度的绝对零度，即两个热力学系统处于热平衡时的温度是相同的。
这一结论称做“热力学第零定律”。
热力学第三定律
The Third Law of thermodynamics
热力学第三定律 The Third Law of thermodynamics
热力学第三定律是独立于热力学第一、二定律 之外的一个热力学定律，是研究低温现象而得 到的。它的主要内容是奈斯特热定理，或绝对 零度不能达到原理。
热力学第二定律只定义了过程的熵变,而没有定义熵 本身. 熵的确定，有赖于热力学第三定律的建立.
1902年美国科学家雷查德(T.W.Richard)在研究低温 电池反应时发现：电池反应的G和H随着温度的降 低而逐渐趋于相等,而且两者对温度的斜率随温度同 趋于一个定值:
零
由热力学函数的定义式, G(吉布斯自由能)和H(焓)当温 度趋于绝对零度时,两者必会趋于相等：
当系统发生变化时，G也随之变化。其改变值△G，称为体系的 吉布斯自由能变，只取决于变化的始态与终态，而与变化的途 径无关：△G=G终一G始 按照吉布斯自由能的定义，可以推出 当体系从状态1变化到状态2时，体系的吉布斯自由能变为： △G=G2一Gl=△H一△(TS) 对于等温条件下的反应而言，有 T2=T1=T 则 △G=△H一T △S 上式称为吉布斯一赫姆霍兹公 式（亦称吉布斯等温方程）。由此可以看出，△G包含了△H和 △S的因素，若用△G作为自发反应方向的判据时，实质包含了 △H和△S两方面的影响，即同时考虑到推动化学反应的两个主 要因素。因而用△G作判据更为全面可靠。而且只要是在等温、 等压条件下发生的反应，都可用△G作为反应方向性的判据， 而大部分化学反应都可归人到这一范畴中，因而用△G作为判 别化学反应方向性的判据是很方便可行的。
lim
T 0
C
p
0
（3）物质的Cp和CV随热力学温度同趋于零
热力学的第三定律的基本概念及实际应用
热力学的第三定律的基本概念及实际应用热力学的第三定律：基本概念及实际应用1. 基本概念热力学第三定律是热力学基本定律之一，它揭示了在接近绝对零度时，系统熵的变化规律。
这一定律由德国物理学家恩斯特·韦伯和马克斯·普朗克在1923年提出，后来被广泛接受和证实。
1.1 熵的定义要理解热力学第三定律，首先需要明确熵的概念。
熵是热力学系统中的一种度量，表示系统混乱程度的物理量。
在宏观上看，熵可以理解为系统中的能量分布均匀程度。
一个系统的熵越大，其能量分布越均匀，系统越趋向于热力学平衡。
1.2 绝对零度的概念绝对零度是热力学温标（开尔文温标）的最低温度，对应于0K。
在绝对零度时，理论上系统中的分子和原子的运动将停止，系统达到最低的能量状态。
1.3 第三定律的内容热力学第三定律指出，在温度接近绝对零度时，系统的熵接近一个常数。
换句话说，系统熵的变化趋于停止。
这表明，无论系统如何接近绝对零度，其熵值都不会降低到零。
换句话说，绝对零度是不可达到的。
2. 实际应用热力学第三定律在许多实际领域中具有重要意义，以下是一些主要应用：2.1 制冷技术热力学第三定律在制冷技术中起着关键作用。
根据第三定律，制冷剂在接近绝对零度时，其制冷能力会减弱。
因此，在设计和使用制冷系统时，需要考虑到这一限制。
2.2 低温物理在低温物理领域，热力学第三定律对于理解和研究物质在接近绝对零度时的性质具有重要意义。
例如，超导体在超低温下表现出独特的电磁性质，这些性质与热力学第三定律密切相关。
2.3 信息论热力学第三定律与信息论也有着密切的联系。
熵在信息论中用作信息量的度量，而热力学第三定律揭示了在低温下系统熵的变化规律。
这为信息处理和传输提供了理论基础。
2.4 宇宙学在宇宙学中，热力学第三定律对于理解宇宙的演化和命运具有重要意义。
根据第三定律，宇宙的熵会随时间增加，这有助于解释宇宙从一个高度有序的状态发展到目前这个复杂、混乱的状态。
热力学三大定律。
热力学三大定律。
热力学是一门研究热现象和能量转移的学科，它包含了许多重要的理论和定律。
其中最为基础和重要的就是热力学的三大定律。
这三大定律分别是：
第一定律：能量守恒定律。
这个定律表明，能量在一个系统中不会被创造或者消失，只会被转换成不同的形式。
换句话说，热能可以转化为机械能，电能，化学能等等。
第二定律：热力学第二定律，也被称为热力学不可逆定律。
这个定律表明，任何一个封闭的系统都会不可避免地趋向于熵增加的方向。
也就是说，不可逆的过程比可逆的过程更有可能发生，因为后者需要外部能量输入，而前者则不需要。
第三定律：热力学第三定律，也被称为绝对零度定律。
这个定律表明，在温度为零度的绝对零点附近，系统的熵趋近于零，而且无法完全达到零。
这个定律的重要性在于，它提供了一个基准点，让我们可以对温度进行比较和测量。
这三大定律是热力学的基石，它们不仅解释了许多自然现象，也为工程应用提供了重要的指导意义。
- 1 -。
热力学第三定律-精品文档
• S=klnW=kln1=0
T0K
• 物质的熵在绝对零度时趋近于零
• 注意, 0K时物质的熵为零只适用于内部 达热力学平衡的体系, 若不满足此要求, 即使温度达0K, 物质的熵也不为零.
• 一般说来, 完美晶体满足上述要求.
• 不满足要求的物质,如NO, 在0K下, 熵值 并不为零, 任具有一定的数值, 这些物质 在0K的数值称为残余熵.
• NO 的残余熵：
• NO的残余熵是由分子的构型引起，也称 为构型熵。
• 每个NO分子有NO、ON两种构型，即有 两种不同的状态，1molNO拥有的不同状 态数为：
• W=2N • S=klnW=kln2N =nkln2=Rln2
• S(NO，残余熵)=5.76 J/K.mol
• 由热力学第三定律所求得的物质的熵 称为:
• 化学元素常有同位素, 其中只有稳定单质的规 定焓为零.
• 对于非稳定的化学元素和化合物, 其规定焓定 义为:
• 纯化合物的规定焓等于在298.15K, 标 准状态下由最稳定单质化合生成1摩尔纯 物质的反应焓变, 记为H0.
H2980=fHm0 (298.15K) (2)
• 由规定焓求化学反应焓变的公式为:
S (gas) =∫0T(熔) (Cp(s)/T)dT +H熔/T熔 +∫T(熔)T(沸)(Cp(l)/T)dT
熔化熵
(3)
+H沸/T沸 +∫T(沸)T (Cp(g)/T)dT
气化熵
• Sm0是标准状态下物质的规 定熵.
• 标准状态的规定为: 温度为 T, 压力为1p0的纯物质.
• 量热法测定熵的过程如图:
rHm0=∑(iH0(i))产物－∑(iH0(i))反应物 (3)
热力学三定律
热力学三定律引言热力学是研究物质热现象和能量转化的学科，它有三个基本定律，即热力学三定律。
热力学三定律可以描述物质的热平衡和热传递行为，对于研究热力学过程具有重要的意义。
本文将介绍热力学三定律的基本概念和含义。
第一定律：能量守恒定律热力学第一定律，也称为能量守恒定律，指出能量在物理过程中是守恒的。
它表明，在任何一个封闭系统中，能量的总量是不变的。
当系统与外界发生能量交换时，系统的内能可以发生变化，但系统总的能量不变。
根据能量守恒定律，我们可以推导出能量转化的关系式。
例如，在一个封闭系统中，如果系统吸收了一定量的热量Q，则系统的内能U增加，可以用以下公式表示：ΔU = Q - W其中ΔU表示系统内能的变化，Q表示吸收的热量，W表示对外界做的功。
能量守恒定律的意义在于，它反映了能量的流动和转化规律，对于研究能量转换和利用有着重要的指导作用。
第二定律：热传递定律热力学第二定律，也称为热传递定律，指出热量只能从高温物体传递到低温物体，而不能反向传递。
它描述了热量自发传递的方向性。
根据热传递定律，热量会自动从温度高的物体流向温度低的物体，直到两者达到热平衡。
这是因为热量是分子的热运动，高温物体的分子运动更剧烈、更快，所以会将其热量传递给低温物体，使得两者的热运动变得更加均匀。
热传递定律是自然界中普遍存在的规律，它解释了许多热现象，如热传导、热对流和热辐射等。
我们可以通过控制热传递过程来实现热量的传递和转化，例如利用热传递定律来设计制冷冷却系统和热机等。
第三定律：热力学温标定律热力学第三定律，也称为热力学温标定律，是热力学中的基本定律之一。
它指出，在绝对零度下，热力学温标的熵为零。
换句话说，当一个系统的温度接近绝对零度时，它的熵趋近于零。
熵是热力学中描述系统无序程度的物理量。
热力学第三定律表明，在绝对零度下，系统的无序程度趋向于最小，即系统趋于一个有序的基态。
热力学第三定律对于研究低温物理学、凝聚态物理学等有着重要的应用价值。
热力学第三定律
热力学第三定律
热力学第三定律是由着名的热力学家爱因斯坦提出的，是热力学的基本
原理之一，写出来的文章如下：
热力学第三定律由着名的热力学家爱因斯坦提出，它主要讲述了绝热过
程一定伴随着其内部熵增加，也就是温度没有变化时，内部熵也在持续增加。
根据这条定律，任何一个绝热过程中，它的内部熵是不会降低的，甚
至不能达到它的零值，而是相对增长的，称之为“热力学第三定律”。
热力学第三定律对我们日常生活有着重要的影响，它表明，任何一个自
然测量的过程，熵的变化总是朝着它的增加的方向发展。
比如从一个温度
比较低的地方到一个温度比较高的地方，内部熵也会持续增加，但是如果从
一个温度比较高的地方到一个熵比较低的地方，熵就会骤然降低，这就叫
热死角现象，热死角就是一种在热力学第三定律的作用下熵的突然变化的现象，而这样的过程就叫做非绝热过程。
总而言之，热力学第三定律是一条重要的热力学定律，它表明任何一个
自然过程中，物体内部熵的发展趋势是持续增加的，而熵的突然减少则归咎
于非绝热过程，处在热死角之中。
热力学第三定律声称：任何一个绝热过程，内部熵是持续不断增加的。
熵增加的原理也帮助我们了解了宇宙发展中的微
小现象，它的影响是普遍的，并且不可磨灭的。
热力学第三定律
理论解释局限性
微观解释不足
虽然热力学第三定律在宏观层面上得到 了广泛应用，但在微观层面上，其理论 解释仍显不足。如何进一步从微观角度 解释和理解热力学第三定律，是理论面 临的局限性之一。
VS
与其他定律的关联
热力学第三定律与其他热力学定律之间存 在紧密的联系。如何在理论上更深入地揭 示这些定律之间的内在联系，是一个尚未 完全解决的问题。
未来研究方向与挑战
01
拓展应用领域
目前热力学第三定律主要在物理学、化学等领域得到了应用。未来可以
进一步拓展其在材料科学、生物医学等领域的应用，为这些领域的发展
提供新的理论支持。
02
寻求更精确的理论解释
随着科学技术的不断发展，对热力学第三定律的理论解释精度要求也越
来越高。未来可以通过引入新的数学工具、物理模型等方法，寻求术
为了提高实验验证的准确性和效率，未来可以探索新的低温实验技术，
提高测量设备的精度和稳定性，为热力学第三定律的实验研究提供有力
支持。
THANK YOU
后续发展
随着研究的深入，热力学第三定律 得到了进一步的验证和完善，成为 热力学领域的基本定律之一。
热力学第三定律的重要性
完善热力学理论体系
热力学第三定律的提出和完善，使得热力学理论体系更加完整和 严密。
指导低温工程实践
在低温工程领域，热力学第三定律提供了对熵和温度之间关系明确 规定，为低温工程实践提供了理论指导。
第三定律与熵的基准
热力学第三定律为熵的基准提供了依据，即在绝对零度时， 完美晶体的熵为零。这为其他物质熵的计算提供了参考。
热力学第三定律的数学表述
能斯特热定理：热力学第三定律可通过能斯特热定理进行数学表述，即 $\lim_{{T \to 0}} S(T) = S_0$，其中 $S_0$ 是绝对零度时的熵值。
热力学三个定律(3篇)
第1篇热力学是研究热现象及其与物质运动、能量转换和传递之间相互关系的科学。
热力学有三个基本定律，分别是热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。
这三个定律在物理学和工程学等领域有着广泛的应用。
一、热力学第一定律热力学第一定律也称为能量守恒定律，它揭示了能量在不同形式之间的相互转换和守恒。
具体来说，热力学第一定律可以表述为：在一个封闭系统中，能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转换为另一种形式。
1. 热力学第一定律的数学表达式设一个封闭系统在一段时间内吸收的热量为Q，对外做功为W，系统内能的增加为ΔU，则热力学第一定律可以表示为：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外做的功。
2. 热力学第一定律的应用热力学第一定律在许多领域都有广泛的应用，以下列举几个例子：（1）热机：热机是将热能转换为机械能的装置。
根据热力学第一定律，热机在工作过程中，必须从高温热源吸收热量，并将部分热量转化为机械能，同时将部分热量排放到低温热源。
（2）热泵：热泵是一种利用外部能量将低温热源的热量转移到高温热源的装置。
根据热力学第一定律，热泵在工作过程中，必须消耗一定的外部能量，以实现热量转移。
（3）能源利用：热力学第一定律揭示了能源的守恒规律，对于能源的开发、利用和节约具有重要意义。
二、热力学第二定律热力学第二定律揭示了热现象的不可逆性，即热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
具体来说，热力学第二定律可以表述为：1. 热力学第二定律的表述（1）开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化。
（2）克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
2. 热力学第二定律的应用热力学第二定律在许多领域都有广泛的应用，以下列举几个例子：（1）制冷技术：制冷技术利用热力学第二定律，将热量从低温物体传递到高温物体，实现制冷效果。
（2）热力学第三定律：热力学第三定律是热力学第二定律的一个特例，它揭示了在绝对零度时，物体的熵趋于零。
3-5热力学第三定律
例:
对于化学反应
CH 4 (g) + H 2O(g) = CO(g) + 3H 2 (g)
已知各物质在298.15K时的下列热力学数据： 时的下列热力学数据： 已知各物质在 时的下列热力学数据
物质
θ ∆f H m/ kJ· mol-1
CH4（g） H2O（g） ） （ ） -74.81 186.264 35.309 -241.818 188.825 33.577
6
计算240.30 K时气态环丙烷 3H6（以A表示）的标 时气态环丙烷C 表示） 例: 计算 时气态环丙烷 表示 已知101.325 kPa下A(s)的熔点 准摩尔熵 S m (240.3 K) 。已知 下 的熔点
mol T f = 145.54 K ，其摩尔熔化焓D l H m = 5.436 kJ - 1； s
r →
∆S 2
∆ S m (T1 )
gG(γ)+hH(δ) T1,标准态
13
∆ r S m (T2 ) = ∆ r S m (T1 ) + ∆S1 + ∆S 2 = ∆ r S m (T1 ) + ∫
T1
aC p ,m , A + bC p ,m ,b T
T2
dT + ∫
T2
gC p ,m ,G + hC p ,m , H T
ò 145.54K
240.30K C p ,m (l)
38.35
T
dT
5
可逆气化 g→pg的理想化 → 的理想化 pg变压过程 变压过程
D gH m l D S5 = Tb
83.50
6 7
240.30 K 240.30 K
热力学第三定律-规定熵-低温热力学
160
0.3
H2
20.3
14.0
31.8
4He
4.21
--
2.56
4
3He
3.19
--
0.48
5x104
the cooling power diminishes rapidly with decreasing T (at T0, S becomes small for all processes)
0.47
0.66
1.03
1.79
Substance
boiling T (P=1 bar)
melting T (P=1 bar)
Latent heat kJ/liter
Price $ / liter
H2O
373.15
273.15
2252
Xe
165.1
161.3
303
O2
90.2
54.4
245
N2
77.4
He3-He4低温恒温器
Heinz London (1907–1970) ，1962 T<0.87K, He3-He4不互溶 上层He3蒸发10μK 铜核磁矩在He3-He4低温恒温器中被强磁场磁化，绝热退磁 1.5μK
He3-He4低温恒温器
He3-He4 T-x相图
Dilution Refrigerator (down to a few mK)
Nern20年，Lewis和 Gibson指出，Planck的假定只适用于完整晶体，即只有一种排列方式的晶体。
在1912年，Planck把热定理推进了一步，他假定：
在热力学温度0 K时，纯凝聚物的熵值等于零，即：
热力学第三定律
二、绝对熵
S (T , y ) S0
T0 T
Cy T
dT
S0 S (T0 , y)
T
据：T→0时,Cy→0
S (T , y ) S0
0
Cy T
dT
S0 S (0, y)
热统
10
考虑一等温过程
S T S
'' 0
S (C y '' C y ' )
S
1 S
V T p T V
lim lim V T p lim V p 0 T 0 K T 0 K T 0 K T
lim lim p T V lim p V T 0 T 0 K T 0 K T 0 K
1
定义：α相的强度量 其中
n ni
i 1 k
表示 i 组元的摩尔分数 表示α相物质总量
k
xi 1
i 1
上式有k个x，只有k-1个独立，加上T、P共k+1个强度变量， 另外该相物质总量包含广延变量 n ，共k+2个量描述α相。 达到平衡时满足：
T 1 T 2 ... T P1 P 2 ... P i1 i2 ... i
' 0
TdTy Tຫໍສະໝຸດ 0令：T→0S T S0'' S0' 0 lim
T 0
'' ' S0 (0, y1 ) S0 (0, y2 )
可见： S0 S (0, y ) 是一个与状态变量y无关的绝对常量，选取 S0 = 0
S (T , y )
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伊犁师范学院物理科学与技术学院2014届本科毕业论文(设计)论文题目：绝对零度下气体热力学性质的研究作者姓名：严冬班级：10-2班专业：物理学学号：2010070201032指导教师：付清荣完成时间：2014年月日物理科学与技术学院二〇一四年五月三十一日绝对零度下气体热力学性质的研究内容摘要本文先介绍热力学三定律的内容，了解热力学第三定律的两种表述。
就绝对零度下研究了玻色统计与费米统计，主要讨论的气体有：光子气体，玻色—爱因斯坦凝聚，金属气体。
通过对这些内容的讨论，得出绝对零度下，各种气体的性质以及对这些气体性质的应用。
着重介绍了玻色—爱因斯坦凝聚，强调了它在物理科研的应用及对其应用的开发，本文主要用热力学统计的计算来展开讨论。
关键字: 绝对零度玻色—爱因斯坦凝聚金属气体热力学第三定律Absolute zero under the various properties of gasesContent in this paperThis article first introduced the content of the third law of thermodynamics, two understand the third law of thermodynamics.Is absolute zero studied bose and Fermi statistics, statistical gas are discussed are:the photon gas, bose - Einstein condensation, metal gas.Through the discussion of the content, it is concluded that absolute zero, the various properties of the gas and the application of the gas properties.Introduces the bose - Einstein condensation, emphasizes the applications of it in physics research and development of its application, this paper mainly to discuss with statistical thermodynamics calculation.Key words: Absolute zero Bose - Einstein condensation Metal gas properties The third lawof thermodynamics目录1、热力学第三定律........................................... 错误！未定义书签。
1.1 导言 ...................................................... 错误！未定义书签。
1.2热力学第一定律和第二定律 (1)1.3热力学第三定律 (2)1.4热力学第三定律的两种表述 (3)2、玻色统计与费米统计 (4)2.1玻色分布与费米分布 (4)2.2玻色统计与费米统计 (5)3、玻色气体 (7)3.1光子气体 (7)3.2玻色—爱因斯坦凝聚 (9)4、费米气体 ...................................................... 错误！未定义书签。
4.1金属中的自由电子气体........................... 错误！未定义书签。
4.2零点能 ................................................... 错误！未定义书签。
4.3零点压强 (19)4.4绝对零度时的熵 ..................................... 错误！未定义书签。
4.5经典极限下理想费米气体和理想玻色气体的差异 (20)5、工作总结和展望 (21)5.1研究热力学气体的性质 (21)5.2展望未来 (22)参考文献 (23)致谢 (24)1热力学第三定律1.1导言我们在日常生活中接触的宏观物体是由大量微观粒子（分子或其它粒子）构成的。
这些微观粒子不停地进行着无规则的运动。
人们把这大量微观粒子的无规则运动称作物质的热运动。
热力学是热运动的宏观理论。
通过对热现象的的观测、实验和分析，人们总结出热现象的基本规律。
这就是热力学第一定律、第二定律和第三定律。
这几个基本规律是无数经验的总结，适用于一切宏观物质系统。
1.2热力学第一定律和第二定律Q W U U A B +=-是热力学第一定律的数学表达式。
它的物理意义是，系统在终态B 和初态A 的内能之差A B U U -等于在过程中外界对系统所作的功与系统从外界吸收的热量之和。
这就是说，在过程中通过作功和热传递两种方式所传递的能量，都转化为系统的内能。
热力学第一定律就是能量守恒定律。
自从焦耳以无可辩驳的精辟的实验结果证明机械能、电能、内能之间的转化满足守恒关系之后，人们就公认能量守恒定律是自然界的一个普遍规律，适用于一切形式的能量。
能量守恒定律的表述是：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可以从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在传递与转化过程中能量的数量不变。
热力学第一定律因此还有另一个种表述：第一类永动机是不可能造成的。
在热力学第一定律被发现之后，克劳修斯和开尔文分别审查了卡诺的工作，指出要证明卡诺定理需要一个新的原理，从而发现了热力学第二定律。
他们提出的热力学第二定律的表述分别如下：克氏表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它的变化。
开氏表达：不可能从单一热源吸热使之完全变成有用的功而不引起其它变化。
热力学第二定律的开氏说法也可以表示为：第二类永动机是不可能造成的。
所谓第二类永动机是指能够从单一热源吸热，使之完全变成有用的功而不产生其它影响的机器。
这种永动机不是热力学第一定律所否定的永动机，它并不违背热力学第一定律，所作的功是由热量转化而来。
这种机器可以利用大气或海洋作为单一热源，从那里不断吸收热量而作功，而这种热量实际上用之不尽的，因而称为第二类永动机。
热力学第二定律指出，企图通过这种方式利用自然界的内能使不可能的。
热力学第二定律的两个表述是等效的。
1.3热力学第三定律热力学第三定律是对熵的论述，一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是等温可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是等温可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。
在绝对零度，任何完美晶体的熵为零；称为热力学第三定律。
对化学工作者来说，以普朗克（M.Planck,1858-1947,德）表述最为适用。
热力学第三定律可表述为“在热力学温度零度（即T=0开）时，一切完美晶体的熵值等于零。
”所谓“完美晶体”是指没有任何缺陷的规则晶体。
据此，利用量热数据，就可计算出任意物质在各种状态（物态、温度、压力）的熵值。
这样定出的纯物质的熵值称为量热熵或第三定律熵。
热力学第三定律认为，当系统趋近于绝对温度零度时，系统等温可逆过程的熵变化趋近于零。
第三定律只能应用于稳定平衡状态，因此也不能将物质看做是理想气体。
绝对零度不可达到这个结论称做热力学第三定律。
是否存在降低温度的极限？1702年，法国物理学家阿蒙顿已经提到了“绝对零度”的概念。
他从空气受热时体积和压强都随温度的增加而增加设想在某个温度下空气的压力将等于零。
根据他的计算，这个温度即后来提出的摄氏温标约为-239°C，后来，兰伯特更精确地重复了阿蒙顿实验，计算出这个温度为-270.3°C。
他说，在这个“绝对的冷”的情况下，空气将紧密地挤在一起。
他们的这个看法没有得到人们的重视。
直到盖-吕萨克定律提出之后，存在绝对零度的思想才得到物理学界的普遍承认。
1848年，英国物理学家汤姆逊在确立热力温标时，重新提出了绝对零度是温度的下限。
1906年，德国物理学家能斯特在研究低温条件下物质的变化时，把热力学的原lim 0=∆→S K T 理应用到低温现象和化学反应过程中，发现了一个新的规律，这个规律被表述为：“当绝对温度趋于零时，凝聚系(固体和液体）的熵（即热量被温度除的商）在等温过程中的改变趋于零。
”德国著名物理学家普朗克把这一定律改述为：“当绝对温度趋于零时，固体和液体的熵也趋于零。
”这就消除了熵常数取值的任意性。
1912年，能斯特又将这一规律表述为绝对零度不可能达到原理：“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。
”这就是热力学第三定律。
1940 年R.H.否勒和 E.A.古根海姆还提出热力学第三定律的另一种表述形式：任何系统都不能通过有限的步骤使自身温度降低到0K ，称为0K 不能达到原理。
此原理和前面所述及的热力学第三定律的几种表述是相互有联系的。
但在化学热力学中，多采用前面的表述形式。
1.4热力学第三定律的两种表述1906年,Nernst 在T.W.Richarsd 研究低温下电池反应的基础之上提出了，即Nernst 热定理。
由Nernst 热定理我们可以从理论上证明绝对零度不可达到。
此外，我们还可以得出：当温度无限趋近绝对零度时，体系的熵值不变。
但Nernst 并未给出当T=0K 时体系的熵值。
1912年，Plank 根据熵是一状态函数的性质发展了 Nernst 的说法，提出了如下假定：假定0K 时，纯凝聚态的熵值等于零，即 1912年能斯特根据他的定理推理出一个原理，名为绝对零度不能达到原理。
这个原理如下：不可能通过有限的步骤使一个物体冷却到绝对温度的零度。
通常认为，能氏定理和绝对零度不能达到原理是热力学第三定律的两种表述。
理论指导实践，绝对零度被提出后，许多科学家便致力于此，开始了向绝对零度的冲刺。
1877年，法国工程师Caiheted 首先液化O 2达到了90.2K 的低温。
1898年，英国物理学家Dewer 将H 2液化。
1979年，荷兰的Onnes 将He 液化，得到了4.2K 的低温。
1979年，苏格兰人用级联核冷却法得到了5×10-8K 的低温。
1989年，中国和瑞士的低温实验室报道已得到了10-9K 的低温。
2玻色统计与费米统计2.1玻色分布与费米分布玻色系统与分布{}l a 相应的微观状态数为∏--+=Ωl l l l l E B a a )!1(!)!1(..ωω (2.1.1) 费米系统与分布{}l a 相应的微观状态数为∏-=Ωl l l l l D F a a )!(!!..ωω (2.1.2) 为书写简便起见，将上式中的..E B Ω和..D F Ω都简记为Ω.根据等概率原理，对于处在平衡状态的孤立系统，每一个可能的微观状态出现的概率是相等的。