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1、学校代码：10184学 号：延边大学本科毕业论文本科毕业设计（题 目:对称性与热力学自发变化方向学院：理学院专业：化学班级:2010级指导教师：尹明 副教授年五月摘要本文通过对热力学理论知识和对称性方面的研究分析，得出了分子对称性与 热力学自发变化方向之间的相互关系。即体系由对称到不对称的过程中，总是朝 着自发变化方向进行。在文章开始，通过介绍热力学基础知识，了解热力学相关定律、Carnot定理, 得出了焓变与反应方向之间的关系。因为焓变作为判据是有局限性的，所以后面 又有了用熵变来判断化学变化方向。通过 一些热化学方程式推导出Helmholtz 函数和Gibbs函数，根据它们变化值得大小作为
2、变化方向和限度的依据。归纳、 整理，得出可以作为判据的有：熵增加原理、Helmholtz函数和Gibbs函数降低原 理。研究完了转化方向相关知识，我们还研究了一个新判据对称性。从对称 性的概念、应用领域来详细明了地证明了它在宏观和微观世界的存在价值。最后，总结得出了热力学自发变化方向和对称性之间的内在联系。从热力学 角度上分析，系统总是自发的是由熵低的状态向熵高的状态转变；从对称性角度 上分析，系统是由对称度低的状态向对称度高的状态转变，直到系统达到重新平 衡。关键词： 对称性；熵增加原理；Helmholtz函数；Gibbs函数；焓变AbstractBased on analysis of t
3、he thermodynamic theory of knowledge and the symmetry, I get the relationship between the molecular symmetry and spontaneous change direction. The system is symmetric to asymmetric process, always move toward the direction of spontaneous change.At the start of article, by introducing the basic knowl
4、edge of thermodynamics, by understanding the thermodynamic law, the Carnot theorem, we have got the relation between enthalpy and reaction direction. Because the enthalpy change as a criterion is limited, so there has been used to determine the chemical changes in the direction of the entropy change
5、. Through some thermochemical equation to derive the Helmholtz function and Gibbs function, according to their size and extent change as the direction of change of basis. By the summary, it can be taken as a criterion for the principle of entropy increase,the Helmholtz function and the Gibbs functio
6、n reduce principle. After the study direction of transformation related knowledge, we also study a new criterion -symmetry. From the concept, the symmetry of the application domain with clearly proved it in the macroscopic and microscopic world the existence value.Finally, summarizes the relationshi
7、p between spontaneous change direction and symmetry. Thermodynamically, the system always spontaneous is changed from low entropy to high entropy condition; the analysis from the perspective of symmetry, the system is changed from the symmetrical degree low state to a high state of symmetry, re bala
8、nce until the system.Keywords ： Symmetry, The principle of entropy increase, Helmholtz function, Gibbs function, Enthalpy change目录引 言1第一章 热力学基础21.1 热力学第一定律21.2 热力学第二定律21.3 恒压热、恒容热和焓31.3.1 等容热效应31.3.2 等压热效应3第二章 化学反应的方向42.1 自发过程42.2 自发过程的特点42.3 焓变与自发过程52.4 熵变与自发过程52.4.1熵的概念52.4.2熵增加原理62.4.3熵增原理的本质及物理意
9、义72.4.4熵变作为自发过程的判据72.5 Helmholtz 函数和 Gibbs 函数82.5.1 Helmholtz 函数82.5.2 Gibbs 函数92.5.3关于判据的整理9第三章 对称性113.1 对称性的介绍113.2 分子的对称性113.2.1 对称操作与对称元素113.2.2 分子点群123.2.3 分子的对称性和分子的偶极距133.2.4 分子的对称性和分子的旋光性133.3 分子轨道对称性13第四章 对称性与热力学自发变化方向的联系14结 论15参考文献16谢辞17引言在自然界中，对称性普遍存在，小到微观粒子（分子），大到宏观物体。在 科学方面，十九世纪时，仅对几何对称
10、性进行了研究讨论。到二十世纪的时候， 已经从简单的几何对称性研究到了对时间、空间对称性的研究。如今，对称性成 为了很多学科研究的对象，关于对称性的研究也越来越广泛和深入了，对于对称 性的认识也是越来越深层次了，认识的程度也更高了。热力学是一门研究系统宏观性质变化和系统性质变化之间的关系的科学。热 力学第零、一、二、三定律是热力学的研究基础。通过热力学能够解决一系列问 题。热力学第一定律是人经验的总结，它是建立热力学能函数的理论依据。热力 学第二定律的提出，能够解决化学反应的方向和限度，能够解释化学反应是否自 发进行。但是目前为止，有关对称性与热力学自发反应变化方向的研究却很少。因此， 本文通过
11、介绍对称性、热力学基础知识、热力学自发反应方向来研究对称性与热 力学自发变化方向。通过研究可知，热力学自发变化方向，从对称性方面来说， 是对称性低的状态向对称性高的状态进行；从热力学方面来说，是由熵较低的状 态向熵较高的状态进行。本文为研究对称性与热力学自发变化方向提供了理论依 据。第一章热力学基础1.1热力学第一定律顾名思义，能量守恒定律就是所谓的热力学第一定律。在不同的时期，它的 表述经过了很多种不同的表述，它现在可以表述为：自然界中的一切物体都具有 能量，并且这些能量有不同的表现形式，它可以由一种形式的能量转变为另外一 种形式的能量，由一个物体传递到另一个物体，在这个转化和传递的过程中能
12、量 总和不变。能量守恒定律可以用如下式子表示：U=Q+W(1-1)U是内能的增量，其值可以是正数，也可以是负数，且它不随反应的路径 变化而变化，只与始末态有关，所以它是状态函数。Q是过程中的热效应，体系 从环境中吸收热量其值为正，反之为负。W是反应过程中所做的功，若环境对体 系做功则为正，反之为负。Q与W都与路径有关。1.2热力学第二定律热力学第二定律有多种表述方式，其中Kelvin表述、lausius表述、stwald 表述、熵增原理表述这四种表述最为常用。也就是说，不可能由单一热源吸热全 部用于做功，而不发生任何变化。由此可知，第二类永动机是不可能造成的。Qi髙温热源T I可逆热机热力学第
13、二定律的每一种表述都说明了大量分子在宏观过程中反应都有它 的方向性，在自然界中只要涉及到热得相关反应都是具有方向性的。微观意义即 一切自然过程都是沿着分子热运动无序性增大方向进行。a1图1制冷机工作原理图1.3 恒压热、恒容热和焓1.3.1 等容热效应在等容条件下，系统除了做体积功之外，不做其它形式的功，这个过程中吸 收(放出)的热量被叫做等容热，用Qv表示。推导过程如下：恒容过程，V=0,又由W=-p V=0；外又因 U二Q+W，所以 Qv=Uo在恒容条件下，系统与环境的热交换和系统的内能变化是相等的。1.3.2 等压热效应在恒压条件下，系统除了做体积功之外，不做其它形式的功，这个过程吸收(
14、放出)的热量被叫做等压容，用Qp表示。推导过程如下：恒压过程，p1 =p2 =p，由热力学第一定律知，AU二Qp+W二Qp- p V,1 2 外 外贝V，Qp=U-W=(U-U)+ p (V -V )= (U-U)+(pV-pV)2 1 外 2 1 2 1 2 2 1 1= (U+ pV)- (U+pV)2 2 2 1 1 1其中U、p、V都是状态函数，所以它们组合起来也应该是状态函数，我们把 它定义为函，它用符号H表示，其公式为：H=U+pV所以Qp=H -H =H21恒压过程中，体系吸收的热量在数值上和系统焓值增加量是相等的，放出的 热量数值和系统焓值减少量相等的。焓是一个状态函数，与路径
15、没有关系，至于 始末状态有关。我们可以在一些情况下，通过焓值的计算来判断热力学自发方向， 在后面的内容中会详细介绍。第二章 化学反应的方向2.1 自发过程自然界里所有的一切过程都具有方向性。例如，热总是从温度高的物体传到 温度低的物体，“水往低处流的现象”，气流高压到低压的现象，电流从高电位到 低电位的现象，分子(离子)从高浓度到低浓度的过程等，这些都是自发反应的 一些例子。所谓自发，就是不需要其它条件就能够自动地将一个反应进行下去的 现象。而这个过程则就是自发过程，即自发过程就是不需要外界做功而反应自发 地进行的过程。在实际过程中，是很难判断这个反应过程是不是自发的。比如说，氢和氧经 历很长的一个过程，都不会发生任何比较明显的变化，很多人就会认为这个过程 是非自发的。2H2(g) + O2(g) = 2H2O(l) 其实氢与氧的反应是自发的。还有一些反应是自发的，但是在反应的开始需要引发条件，如一般的燃烧反 应，它需要在点燃的条件下，还有的需要加入催化剂，然后反应才能持续下去。 例如，冰在25摄氏度，100kPa下能自发的进行融化(虽然此为吸热反应)。2.2 自发过程的特点自发过程的一个特点是：所有的自发过程的限度都是在该系统下的平衡状 态。例如，化
