辐射热力学中光量子的熵和光子气的熵

本文根据已证明了的光谱等效温度Tλ方程和光量子能量,首次导出了光量子熵常数sλ为3.72680×10-23 J.K-1,并证明通过sλ算出的黑体等效温度等于黑体辐射温度,验证了光量子熵常数结论的正确性;此外,给出了闭口系平衡态空腔辐射场光子气的熵和熵变方程,首次提出开口系辐射流的熵,接收器的净辐射熵差的计算式.本文的结果,为非平衡态辐射热力学体系提供了新的理论基础,对研究辐射能与其它能量转化中不可逆损失将提供有益帮助.     

辐射传热中的熵流,熵产和有效能流

以无限大双平行灰体平板等辐射流传热为例,研究了辐射传热的熵流,导出了辐射传热的熵产率,有效能传输效率和理论最佳接收温度的基本通用计算式。通过引入系统黑度的概念,把以上结果应用于复杂辐射传热的热力学分析。针对辐射强度随传递距离不断减弱的辐射传热的非平衡辐射热力学问题,提出辐射强度系数和当量辐射温度的概念,并以太阳能热接收转换器为例,导出了以当量辐射温度表征的辐射能接收转换热效率,熵增强度,有效能输出率,最佳接收温度的计算式,考察了聚光度对提高太阳能接收器有效能输出率的作用。     

X光辐射在泡沫介质中超声速传输研究进展

X光辐射输运过程通过光子的发射与吸收使能量在介质内进行再分配,而光子的辐射和吸收过程对从介质内出射的能谱产生十分显著的影响。辐射输运由积分-微分方程来描述,得到它的解极其困难,这是因为此方程依赖于局域和非局域的条件。当外加的非局域的X光辐射场作用在介质上一个强的X光辐射能流时,介质的局域温度和密度将影响X光的吸收和发射。本文将对辐射输运的方程和基本理论进行阐述,并对辐射超声速传输的实验结果进行评述。首先,介绍辐射在介质中的传输的理论基础以及简化分析模型;其次,对辐射在介质中扩散超声速输运进行解析分析,我们首次导出辐射的超声速传输条件下的辐射能流与物质能流之比与马赫数和光学厚度的定量关系;最后,介绍国外的主要实验结果,同时也给出我们近期的研究结果。我们的实验结果表明,不同能区的光子因辐射不透明度不同使得在介质中的传播时间不同,并且实验测出光学厚度。     

X光辐射在泡沫介质中超声速传输研究进展

X光辐射输运过程通过光子的发射与吸收使能量在介质内进行再分配,而光子的辐射和吸收过程对从介质内出射的能谱产生十分显著的影响。辐射输运由积分-微分方程来描述,得到它的解极其困难,这是因为此方程依赖于局域和非局域的条件。当外加的非局域的X光辐射场作用在介质上一个强的X光辐射能流时,介质的局域温度和密度将影响X光的吸收和发射。本文将对辐射输运的方程和基本理论进行阐述,并对辐射超声速传输的实验结果进行评述。首先,介绍辐射在介质中的传输的理论基础以及简化分析模型;其次,对辐射在介质中扩散超声速输运进行解析分析,我们首次导出辐射的超声速传输条件下的辐射能流与物质能流之比与马赫数和光学厚度的定量关系;最后,介绍国外的主要实验结果,同时也给出我们近期的研究结果。我们的实验结果表明,不同能区的光子因辐射不透明度不同使得在介质中的传播时间不同,并且实验测出光学厚度。     

量子关联引起的能量异常流动

量子关联是量子体系区别于经典的重要特征之一,如何量化与利用量子关联不仅是量子信息论中的核心问题,也是量子热力学中比较关心的话题。对于经典体系来说,能量总是自发从高温物体流向低温物体,即封闭系统的熵只能增加或保持,永远不会减少,同时随着时间增加,能量耗散增加,但整个体系始终未表现出较强的关联性。在量子体系下,子系统间往往存在关联,在此情况下,上述结论并不总是成立,甚至由于整体熵值减小导致能量反向流动,这种非经典的特性表明仅使用冯·诺依曼熵表征系统熵的变化是不完备的,因此需要对经典热力学第二定律进行完善。基于该定律,本文研究了在孤立体系下,量子关联与能量、熵之间的关系,表明子系统间的量子关联会导致能量反向流动或加速能量正向流动,可以视为制冷或热加速过程,初始时不同的关联决定了之后的能量流动情况,两者高度相关。为了解释这种现象,引入了相对熵等热力学参量来解释关联对量子系统热力学性质的影响,结果表明,当相干项不为零时,表征系统关联的互信息总是随着演化先降低再增加,因而导致了与经典不同的特性。基于以上现象,提出了基于光学体系的实验方案,用来验证理论的正确性。     

颗粒介质的结构及热力学

颗粒介质具有远程无序和近程有序的结构, 是产生动力学不均匀性(dynamical heterogeneity) 和复杂不可逆过程的根源. 本文分析了颗粒介质的结构特征、变形和能量耗散之间的内在关联, 讨论了颗粒介质的弹性, 提出了流变应变增量、耦合应变增量和弹性应变增量的应变增量分解方式. 沿用非平衡热力学框架, 引入表征运动无序的动理学颗粒温度T^k和表征弹性应力涨落的构型温度T^c, 作为非平衡态变量, 建立了双颗粒温度热力学(two-granular-temperature thermodynamics, TGT理论), 注重分析了不可逆过程中的热力学力和流, 并与著名的砂土内变量热力学进行了对比.     

放射性同位素伽玛源准直照射辐射场模拟研究

针对各向同性伽玛源参考辐射场尺寸关键技术问题,GB/T 12162系列标准虽然进行了相关规定,但是该规定并未对准直照射状态下照射室尺寸提出具体要求。为减小用于辐射检测或监测类仪器仪表检定与量值校准时伽玛参考辐射场内散射影响,本文采用蒙特卡罗方法,研究了同位素放射源准直照射时,照射室尺寸变化对检验点处的剂量率值与能量分布的影响情况,获得了准直照射时伽玛辐射场照射室尺寸的边界条件,建立并完善了伽玛参考辐射场边界研究方法及相关标准细节,为准直照射状态下照射室尺寸设计提供了一种新方法或途径。     

单模光腔中N个二能级原子系统的有限温度特性和相变

本文研究单模光场中N个二能级原子Dicke模型的有限温度特性和相变. 把原子赝自旋转换为双模费米算符, 用虚时路径积分方法推导出系统的配分函数, 对作用量变分求极值得到系统的热力学平衡方程, 及原子布居数期待值和平均光子数随原子-光场耦合强度变化的解析表达式. 重点研究了在量子涨落起主导作用的低温区, 由耦合强度变化产生的从正常相到超辐射相的相变, 指出该相变遵从Landau连续相变理论, 平均光子数可作为序参数, 零值表示正常相, 大于零则为超辐射相. 在零温极限下本文的结果和量子相变理论完全符合. 另外, 本文也讨论了系统的热力学性质, 比较有限温度相变和量子相变的异同. 发现, 在强耦合区低温稳定态的光子数和平均能量都和绝对零度的值趋于一致, 而超辐射相的熵则随耦合强度的增强迅速衰减为零.     

探讨黑洞Hawking辐射的新方法——量子统计法

将黑洞看作由裸黑洞和二维热力学面(黑洞的视界)组成的正则系综,利用量子统计方法给出黑洞Hawking 辐射的能量谱.找到黑洞辐射温度与熵的关系. 关键词： Hawking辐射 正则系统 量子统计     

换热器的效能与熵产分析

本文给出了以进口冷热流体温度、热容量流比和传热单元数表示的顺流、逆流及两边混合的叉流换热器熵产数的分析表达式，研究了这三类换热器熵产数随热容量流比及传热单元数变化的规律，给出了由于不平衡流动和传热面积有限产生的熵产数的表达式。分析表明，在进、出口温度均匀条件下换热器效能与熵产数之间存在一一对应的关系，效能与熵产数一样，所表征的是换热器热力学第二定律的完善程度。     

Thermodynamics of a stochastic three level elevator model

We study the thermodynamic properties of a single particle occupying one of three available energy levels in a non-equilibrium regime. The particle is thermally coupled to a classical Maxwell-Boltzmann thermal reservoir and can jump among the available levels by exchanging energy with the heat bath. The bottom and middle energy levels are simultaneously raised at a given rate regardless of particle occupation, but keeping the energy gaps among the three levels fixed. We explicitly calculate the work, heat and entropy production rates, and the classical efficiency. We also consider the case of a Bose-Einstein thermal reservoir and provide explicit expressions for the non-equilibrium, steady-state probabilities.     

Thermodynamic properties of ZnSe under pressure and with variation in temperature

The thermodynamic properties of Zn Se are obtained by using quasi-harmonic Debye model embedded in Gibbscode for pressure range 0–10 GPa and for temperature range 0–1000 K. Helmholtz free energy, internal energy, entropy,Debye temperature, and specific heat are calculated. The thermal expansion coefficient along with Gruneisen parameter are also calculated at room temperature for the pressure range. It is found that internal energy is pressure dependent at low temperature, whereas entropy and Helmholtz free energy are pressure sensitive at high temperature. At ambient conditions,the obtained results are found to be in close agreement to available theoretical and experimental data.     

超高速碰撞2A12铝板产生的热辐射演化特征实验研究

为研究超高速碰撞2A12铝板产生的热辐射演化特征,构建了超高速碰撞产生热辐射的测量系统。采用实验测量与理论计算相结合的方法,得到了相近碰撞速度(约3 km/s)、不同弹丸入射角度(弹道与靶板平面的夹角)下的闪光辐射强度、闪光辐射温度、光谱辐射能量、辐射源面积及发光效率的演化过程。结果表明:闪光辐射强度、闪光辐射温度及光谱辐射能量均呈现急剧上升后缓慢衰减的特征,并且随着弹丸入射角度的增加而减小;在闪光辐射温度达到峰值后辐射源面积继续上升;弹丸入射角度越小发光效率越高,实验中发光效率数量级为10~(-5)。     

Effective temperature, thermodynamical functions, and equilibrium properties of excited domain structure

The theory of the equilibrium properties of stripe domain structure (DS) of nonhomogeneous magnets, induced by a variable magnetic field, is developed. It is shown that an induced DS is a thermodynamic system characterized by an effective temperature which may be many orders of magnitude higher than the room temperature. For a DS of this kind, the thermodynamic functions are derived and the equilibrium conditions are determined. It is found that the entropy term in the free energy function is responsible for DS fragmentation under the variable field action, for the hysteretic dependence of the DS period on the frequency and the amplitude of the variable field, and for phase transitions attended with a jump in the number of domains.     

Nonequilibrium temperature and fluctuation–dissipation temperature in flowing gases

The expressions for the nonequilibrium temperature derived from the fluctuation–dissipation theorem and from the differential of the informational nonequilibrium entropy for ideal gases under shear flow are compared. Both temperatures are different, in particular, the thermodynamic temperature derived from the entropy is lower than the local-equilibrium temperature, whereas the effective temperature defined from the fluctuation–dissipation expression is higher than the local-equilibrium temperature.     

O2非平衡态等离子体中电子平均能量的谱线监测

采用蒙特卡罗方法,模拟了O2非平衡态直流放电等离子体过程。计算了不同E/N条件下电子在氧气中的漂移速度,结果与实验数据符合得很好。模拟了电子平均能量和电子激发态粒子数随E/N的变化关系。提出了一种通过监测两条紫外谱线202.6和280nm强度之比来监测电子平均能量的方法。该方法对于非平衡态气体放电等离子体在材料制备、激光应用及微电子技术等领域中的应用具有重要意义。     

Non-equilibrium thermodynamics and dissipative fluid theories

Summary Some of the available, phenomenological studies on the dissipative fluid theories have involved extending the set of independent dynamical variables. In the favourite case of a chemically inert fluid, one can propose to enlarge the usual hydrodynamic space both by introducing eight components of the stress deviator and the heat flux and by treating them as the fundamental variables on the same footing as the mass density and the specific internal energy. A candidate theory of this kind is based upon the quasi-linear, first-order partial differential equations for the evaluation of all variables. In this paper, the differential field equations are studied with a view to a deeper understanding of non-equilibrium thermodynamics for dissipative fluids. A characteristic feature of the endeavour is that not only it is now possible to have the differential field equations consistent with a supplementary balance law, interpreted as the equation of balance of entropy, but also possible to clarify the meaning of temperature and pressure beyond local equilibrium and to obtain the theory of thermodynamic potentials for systems ?not infinitesimally near to equilibrium?. These results are achieved via the use of the critical-point theory, as formulated by Morse, in the context of the well-known extremum property of entropy. Mathematically, the supplementary balance law is derived by exploiting the calculus of ?vertical? differential forms, and the differential field equations are defined intrinsically,i.e. without making any explicit reference to a particular coordinate system. Finally, the paper discusses some problems concerning the structure of an expression for the entropy flux.     

电子在激光驻波场中运动产生的太赫兹及X射线辐射研究

采用单电子模型和经典辐射理论分别对低能和高能电子在线偏振激光驻波场中的运动和辐射过程进行了研究. 结果表明: 垂直于激光电场方向入射的低速电子在激光驻波场中随着光强的增大, 逐渐从一维近周期运动演变为二维折叠运动, 并产生强的微米量级波长的太赫兹辐射; 高能电子垂直或者平行于激光电场方向入射到激光驻波场中, 都会产生波长在几个纳米的高频辐射; 低能电子与激光驻波场作用中, 激光强度影响着电子的运动形式、辐射频率以及辐射强度; 高能电子入射时, 激光强度影响了电子高频辐射的强度, 电子初始能量影响着辐射的频率; 电子能量越高, 产生的辐射频率越大. 研究表明可以由激光加速电子的方式得到不同能量的电子束, 并利用电子束在激光驻波场的辐射使之成为太赫兹和X射线波段的小型辐射源. 研究结果可以为实验研究和利用激光驻波场中的电子辐射提供依据.     

稀薄气体流动非线性耦合本构关系研究进展

临近空间高超声速飞行器流场蕴含着复杂的非线性流动机理与丰富的热化学非平衡流动现象, 基于Newton摩擦定律和Fourier热传导定律的Navier-Stokes(N-S)方程不足以描述高超声速飞行器从连续流到稀薄流的多尺度非平衡现象。非线性耦合本构关系(nonlinear coupled constitutive relations, NCCR)作为一种全新的本构方程体系, 在严格满足热力学熵条件的基础上, 巧妙地构建了应力与热流的非线性表达形式。然而, NCCR方程的强非线性耦合特性是求解过程的一大难题。为了克服这一技术瓶颈, 提出了混合迭代算法, 为实现NCCR方程的高效稳定求解提供了坚实的理论基础。在该理论研究的基础上, 考虑到原始NCCR方程对热通量演化方程的简化处理, 降低了方程的计算精度, 提出了改进的NCCR+方程。该方程在强激波压缩区域和膨胀区域表现出比传统NCCR方程更高的计算精度与更强的非平衡流动模拟能力。同时, 为了解决临近空间高超声速空气动力学的多尺度与多物理效应耦合难题, 提出了NCCR与转动非平衡的耦合计算模型, 拓展了NCCR方程在双原子气体中的模拟能力。为了揭示稀薄气体效应与真实气体效应的耦合作用机理, 进一步建立了NCCR与热化学反应的耦合计算方法。大量研究结果表明, 考虑多物理效应的NCCR方程在低Kn下能够恢复到与N-S方程一致的解。随着Kn的增加, 流场的非平衡程度逐渐增强, 其结果与N-S方程差异显著, 而与DSMC方法计算结果和实验数据具有更好的一致性。      

Thermodynamic behaviour of Rashba quantum dot in the presence of magnetic field

The thermodynamic properties of an In Sb quantum dot have been investigated in the presence of Rashba spin–orbit interaction and a static magnetic field. The energy spectrum and wave-functions for the system are obtained by solving the Schrodinger wave-equation analytically. These energy levels are employed to calculate the specific heat, entropy,magnetization and susceptibility of the quantum dot system using canonical formalism. It is observed that the system is susceptible to maximum heat absorption at a particular value of magnetic field which depends on the Rashba coupling parameter as well as the temperature. The variation of specific heat shows a Schottky-like anomaly in the low temperature limit and rapidly converges to the value of 2kB with the further increase in temperature. The entropy of the quantum dot is found to be inversely proportional to the magnetic field but has a direct variation with temperature. The substantial effect of Rashba spin–orbit interaction on the magnetic properties of quantum dot is observed at low values of magnetic field and temperature.