负绝对温度问题的统计讨论

一、引言 目前许多热统教材中均介绍了负绝对温度问题,自从1951年珀塞尔和庞德首次在实验上发现负温状态后,负温问题即成为统计物理中的一个重要课题. [1]以自旋为1/2的理想系统为例,对负温问题作了较为详尽的介绍,对于热统教学参考很有补益,而本文的目的,是想在[1]的基础上对负温问题作一些补充讨论. 由热力学基本方程出发,可得到温度的一个定义式 其中｛xi｝为热力学广义坐标的集合。显然,(1)式并没有限定T的正负号,若一个热力学系统处于某一状态时,其熵S随内能U的增大而减小,则此时系统处于负绝对温度状态.二、负温系统的统计讨论 这里…     

负温状态的稳定性

自五十年代初,E. M. Purcell, K. V Pound及N.F.Pamsey等人用实验的方法征实了负绝对温度的存在以来[1-3],负温状态已成为热力学及统计物理学研究的一个新领域.1956年N.F.Ramsey曾对负温系统的热力学及统计物理的内容作了较系统的概述[4],但是对负温状态的稳定性并未作详细讨论,只是指出了可能存在负温状态的系统所应满足的必要条件:(1)为了可以用温度来描述,系统必须处于平衡态;(2)系统的能量必须具有上限;(3)系统必须与所有不满足上述条件的系统隔绝,即系统本身达到平衡的弛豫时间远小于系统与任何正温系统达到平衡弛豫时间.本文将根…     

小系统的非平衡统计力学与随机热力学

热力学是一个古老的课题,古典热力学以宏观的具有大粒子数的系统为研究对象,自17世纪以来,科学家们构建了热力学的完备公理化体系。将热力学推广至小系统是近三十年来的研究前沿。文章介绍小系统的非平衡统计力学以及小系统的随机热力学。作为研究案例,利用时间依赖的谐振子势场控制单个粒子来构造随机热机的类卡诺循环,并发现该热机最大功率对应的效率等于1-Tc/Th,其中Tc和Th分别对应于低温热库和高温热库的温度。     

库的量子关联相干辅助系统能量提取的研究

基于单模微腔与二能级原子系综(库)构成的混合动力学模型,探索了非平衡库中量子关联相干(quantum correlated coherence, QCC)[Tan K C, et al. 2016 Phys. Rev. A 94, 022329])对系统动力学的影响.推导了量子关联相干库下系统演化的动力学方程.借助于含QCC的类GHZ库及其对应的参考库,清晰地揭示了非平衡库中QCC扮演着热力学资源的角色——能够有效辅助系统从库中提取更多能量.同时,结合解析与数值模拟方法研究了类GHZ库的有效温度和系统与库间的耦合参数对QCC能量效应的影响.研究发现, QCC对腔场的能量贡献不仅依赖于库的有效温度,而且也和系统与库间的耦合参数有关.这与二能级原子构成的传统的热库的情况(腔场从热库中提取的能量仅仅依赖于库的有效温度即二能级原子的热布局)完全不同.此外,研究发现QCC可视作一类优质的热力学资源,在特定条件下其对系统的能量贡献远大于原子热布局的贡献.因此, QCC将是高输出功率或高效率量子热机设计中的一类重要燃料.     

SU(2)格点规范场热力学Monte-Carlo模拟的改进——实现连续物理极限的一种途径

本文首次在非对称点阵(ξ>1)上模拟了SU(2)纯规范场系统的热力学量,并讨论了有限大小效应和实现连续物理极限问题.结果表明:利用非对称点阵易于模拟格点规范场的热力学行为,也易于讨论趋向连续物理的各种极限.本文还把纠偏抽样技巧用于格点规范场的Monte-Carlo模拟,不但提高了计算效率,还能更好地计算热容C_v的温度行为.     

SU(2)格点规范场热力学Monte-Carlo模拟的改进——实现连续物理极限的一种途径

本文首次在非对称点阵(ξ>1)上模拟了SU(2)纯规范场系统的热力学量,并讨论了有限大小效应和实现连续物理极限问题.结果表明:利用非对称点阵易于模拟格点规范场的热力学行为,也易于讨论趋向连续物理的各种极限.本文还把纠偏抽样技巧用于格点规范场的Monte-Carlo模拟,不但提高了计算效率,还能更好地计算热容C_v的温度行为.     

不可逆过程中热力学势的变化

本文提供一种对于正、负绝对温度（以下简称正、负温）均可适用的改进方法，简洁地讨论在各种特殊情况下热力学势的变化     

P-V图的妙用

热力学第一定律是包括热量在内的能量守恒和转化定律。它指出:外界传递给系统的热量Q,一部分使系统的内能E增加,一部分用于系统对外做功A.其公式为 Q=△E A(其中 △E=E末-E初)符号规定:系统吸热,Q为正,放热为负,系统内能增加,△E为正,减少为负;系统对外做功,A为正,外界对系统做功,A为负.[1] 热力学第一定律是热力学的基本定律之一,应用十分广泛.但在应用该定律公式时,不少学生往往对热量、功以及内能变化三个量的符号混淆不清,运算经常发生错误.怎样才能使学生克服符号的差错呢?我觉得,只要在5!导学生掌握热力学第一定律的物理实质的…     

负绝对温度系统的热力学性质

负绝对温度首先由Purcell和Pound等人在LiF晶体核自旋实验中实现。后经Ramsey从理论上进行了系统的研究和整理,形成了完整的理论。这里将其主要热力学性质作一简单介绍。 一、负绝对温度系统的热学性质 热力学系统的绝对温度可表示为其中U和S分别是系统的内能和熵。V为体积。 一般的热力学系统,如一摩尔理想气体或一摩尔晶体,具有无穷多能级。随着内能的增加(温度升高),分布在高能级上的原子或分子也随着增加,由此引起了原子能级范围的增大,无序性增大,从而系统的熵增大。即当dU>0时,一般有dS>0。因此由 (1)式给出的绝对温度是正的。 如…     

单势阱粒子溢流模型中热力学量的涨落效应

采用相空间积分方法严格导出了各态历经条件下单势阱粒子溢流模型中系统温度和阱内粒子数涨落的解析表达式,着重讨论了热力学量涨落与总粒子数和势阱体积之间的关系.研究表明,系统总粒子数越少以及势阱体积越小,热力学涨落越显著,并且热力学涨落与阱内粒子的溢出密切相关.粒子的溢出和系统负比热及热力学大幅涨落的发生存在一一对应的关系,这一对应关系的根源可以从表观能量逆均分来理解.     

一维扩展Hubbard模型热力学性质(Ⅱ)U<0

本文计算了一维负U扩展Hubbard模型的熵、内能、比热和磁化率,并得到了强耦合极限下磁化率的解析形式。结果表明系统的热力学性质可分为两温区来讨论,高温区对应着双占据态破裂,低温区对应着电荷的各种分布。相互作用W对热力学性质有较大影响,而自旋分布的影响不很明显。     

负的绝对温度

一般热力学系统的绝对温度总是正的。但是如果系统的能量具有上限的话,那么,它就有可能处于负的绝对温度的状态。在最近十年以来,人们谈到关于负的绝对温度的问题,已屡见不鲜。在实验上,也已发现了如何获得负的绝对温度的各种方法。而且,目前已利用处于负的绝对温度的系统发明了量子振荡器和放大器,为无线电技术开辟了一个崭新的境界。     

一维扩展Hubbard模型热力学性质(Ⅱ)——U<0

本文计算了一维负U扩展Hubbard模型的熵、内能、比热和磁化率,并得到了强耦合极限下磁化率的解析形式。结果表明系统的热力学性质可分为两温区来讨论,高温区对应着双占据态破裂,低温区对应着电荷的各种分布。相互作用W对热力学性质有较大影响,而自旋分布的影响不很明显。 关键词：     

Kondo晶格中超导热力学临界场的研究

本文在两带准粒子模型下研究了Kondo晶格中超导热力学临界场的行为。我们唯象地引入了准粒子之间的有效吸引相互作用,由系统的两个超导序参量所满足的自洽方程出发计算了超导态与正常态热力学函数之差,由此得到了Kondo晶格中超导热力学临界场的表达式,并结合重费米子超导体CeCu_2Si_2、UBe_(13)和UPt_3的有关实验对所得理论结果进行了讨论。     

负绝对温度

从热力学的观点来看,对于热力学系统,假若不限于嫡s必须是随内能E单调增加的函数,则系统可具有负绝对温度.因为由绝对温度T和的热力学关系知道: 在任何一点,若嫡s作为内能E的函数的斜率为负,此绝对温度T即应为负. 一般来说,在热力学中对“嫡s是随内能E单调增加的函数”这一点并未作过明确假设,而且作这样假设对引出许多热力学定理也不是必须的.另一方面s随内能E的增加而减少,在数学上亦不存在什么困难.因此,具有负绝对温度的热力学系统在理论上是完全可以设想的.当然,要判定具有负绝对温度的热力学系统在物理学上的真实价值,仅仅依靠理论…     

折衍射混合复消色差望远物镜中的色球差

一个正透镜、一个负透镜及一个衍射光学元件以不同的组合可以构成两种折衍射混合光学系统.当这两种系统消球差、彗差及复消色差后会产生不同的色球差.通过赛德尔像差理论,分析了这两种结构产生不同色球差的原因.计算表明当衍射光学元件以负透镜的平面为基底时产生的色球差为以正透镜的平面为基底时产生的色球差的7倍.对衍射光学元件以负透镜的平面为基底的情形,提出了减小系统色球差的解决办法,使系统色球差减小到0.307 mm.另外设计了一个传统复消色差光学系统,并和折衍射混合光学系统进行了比较,分析表明,衍射光学元件可代替传统光学系统中的特殊光学材料并使系统达到相同的成像质量.最后讨论了衍射光学元件的衍射效率对系统成像质量的影响.     

CCD测量系统实现及其实时性讨论

针对一个具体的CCD测量系统,就其软硬件的构成及其之间的关系进行了详细的阐述和讨论.对系统至关重要的实时性问题,以WindowsNT操作系统为基础,深入分析了造成系统实时性下降的原因,并提出了一些已被验证有效的改善措施.     

核子的部分子统计模型、EMC效应和核内核子中胶子分布函数

假定核子是部分子(夸克、胶子)组成的热力学系统,讨论了它的温度和化学势等热力学量,导出了核子中部分子的分数动量x分布与相应的统计分布间的关系式.通过将核子中胶子与黑体中光子的类比,计算了核子的有效温度.假定u、d夸克的化学势相同并取合理值,再利用重标度方案定出核内核子温度的改变后,统计模型很好地解释了EMC效应.认为胶子有小而负的化学势后,统计模型也较好地解释了虚光生J/ψ过程中束缚核子的与自由核子的胶子分布比值在小x处"过大"的问题.     

热力学第零定律的独立性问题

一、热力学第零定律的提出及其局限性 通常在教科书中引用的热力学第零定律是由R.H.否勒在1939年提出来的[1],否勒在他的著作中写道:“作为对实验事实的概括,我们引入一个假设:如果两个系统各自同第三个系统处于热乎衡,则这两个系统也彼此处于热平衡.根据这个假设,我们可以证明几个系统之间的热平衡条件是:这些系统的热力学状态的一个单值函数相等.把这个单值函数称为温度t,这些系统中的任何一个都可以做为温度计,可按一适当的温标读出经验温度t.我们把温度存在的假设称为热力学第零定律”. 否勒根据热平衡的传递性给温度下定义,只允许规定…     

统计物理方法在离散变量模型中的应用及推广

提出离散变量模型,并基于此模型由最大熵原理出发,展现了统计物理方法在热力学系统中的具体应用.该方法可以推广应用至由大量"个体"所构成的"总体"非物理系统中,如金融系统,社会生产系统等.文中还指出由最大熵原理得到的概率分布函数同时适用于平衡态和非平衡定态的热力学系统.