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…     

T=±∞状态的特性

负绝对温度出现以来,有不少人对它进行了研究.例如,Ramsey[1]最先对负温度1)情况下的热力学及统计物理学作了扼要的阐述,并指出负温度比正的更高.随后Hecht[2],Vysin[3]及其他一些人[4]又对负温度下的平衡和稳定的条件以及有关的一些问题进行了研究.从这些研究的结果得出一个重     

在正和负绝对温度之间运转的热力学循环

拉姆齐(Ramsey)在讨论负温热力学的有关问题时,曾指出:迄今还没有一种方法能在正温与负温之间构成一卡诺(Carnot)循环.Schopf进一步在公理热力学的基础上提出了一个更强的陈述,即热力学系统不可能绝热地和可逆地由正温范围变化到负温范围(或者相反).近年来 Tykodi在一篇文章中回顾了能够具有负温的热力学系统的性质后.提出至今还不能在一个正温和负温热库之间构成一卡诺循环,表明还存在着新的热力学原理,并作了一定推测,接着Tremblay.Danidlien和 White等人对有关问题展开了讨论.本文拟对负温热力学系统的特性及正温和负温热库之间运转热…     

应力场与电磁场中非平衡系统的熵密度增率

本文讨论应力场与电磁场对热力学系统的作用,导出非平衡系统在应力场与电磁场作用下局部熵密度增率和熵流密度矢量的具体形式,分析应力场与电磁场对熵密度增率的影响. 熵密度增率 不可逆过程中,系统处于非平衡态,在一定条件下[1],可把系统划分为若干个部分,每一小部分近似地处于平衡态.因而每个小部分的热力学量密度满足基本方程: Tds=du-udn-dω　(1) 熵密度增率公式可表为: 称为外界作用功率密度. 应力场与电磁场的功率密度 在应力场与电磁场的共同作用下,功率密度可分写为二项关分十F=,其中毛>、尖>分别是应力场、电磁场对功率密度的贡…     

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…     

可激发气体振动弛豫时间的两频点声测量重建算法

振动弛豫时间是可激发气体分子内外自由度能量转移速率的宏观体现,它决定了声吸收谱峰值点对应的弛豫频率.本文给出了等温、绝热定压和绝热定容三种不同热力学过程下振动弛豫时间的相互关系;基于Petculescu和Lueptow[2005 Phys.Rev.Lett.94 238301]的弛豫过程合成算法,推导了单一压强下两频点声测量值的弛豫时间重建算法.该算法可应用于等温、绝热定压、绝热定容弛豫时间和弛豫频率的重建测量,并避免了弛豫时间传统声测量方法需要不断改变气体腔体压强的问题.仿真结果表明,对于室温下CO_2,CH_4,Cl_2,N_2和O_2组成的多种气体,重建的弛豫时间和弛豫频率与实验数据相符.     

Cu_3N弹性和热力学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理全势线性缀加平面波方法,研究了立方反ReO3结构Cu3N在零温(0K)零压下的平衡晶格常数、体弹模量及其对压强的一阶导数,计算结果与其他实验及理论结果基本相符.同时得出Cu3N的弹性常数,Poisson比等,并分析出Cu3N在零温零压下是稳定的.通过准谐Debye模型计算Cu3N的热力学性质,得到了Cu3N的晶格常数、等压比热容、等容比热容、热胀系数与温度和压强之间的关系,同时计算出不同温度不同压强下其体弹模量及Debye温度的值。     

热力学的U-H-F-G图

由两个独立变数描写的均匀物质的热力学性质,可以用压强P、体积V、温度T、内能U、熵S、焓H、自由能F和吉布斯函数G来描述.和U、F、H、G相应的热力学基本方程、麦氏关系以及特性函数,公式很多,不好记忆.现在介绍一种帮助记忆的U-H-F-G图[1]. 根据图,U、H、F、O的全微分等于和它直接相连的字母的微分的线性组合,还必须满足符号规则和“一对”规则. 1.符号规则:在上方和右边的字母的微分取正号;在下方和左边的字母的微分取负号. 2.“一对”规则:考虑到(P、y)作为一对变数,(T、S)作为一对变数[2].一对变数中一个的微分必须乘上和它共…     

关于气体化学反应平衡恒量

在热力学参考书有关理想气体化学反应平衡的章节[1]中,研究气体的化学反应,以理想气体的理论为第一级近似. 考虑一个化学反应,用式表示它式中Ai为组元,vi为该组元在化学反应中所改变的摩尔数.当达到平衡时,必有μi为混合理想气体中各组元的化学势,应用理想气体理论, 为温度的函数,Pi为分压,可得其中 (3)式是质量作用律的一种表达形式,kp,称为定压平衡恒量. 质量作用律的又一种表示形式是其中xi是克分子分数,k称为平衡恒量. 质量作用律是反映气体化学反应达到平衡时,各个组元之间的数量关系.在一般的热力学参考书中,对反应式(1)只规定反应物…     

简单体系温度涨落的发散问题

平衡体系热力学推导涨落的前提是涨落必须很小，如果得到一个发散的结果说明这一涨落是不可靠的.对一些体系温度涨落的热力学结果，在温度趋于绝对零度时是发散的，这时必须用统计物理来处理.对这些体系进行统计物理处理的结果表明，涨落在温度趋于绝对零度时是趋于零的. 关键词： 热力学与统计物理 涨落     

梳状饱和法测量原子核自旋-晶格弛豫时间的探讨

原子核的自旋-晶格弛豫时间T1[1],自旋-自旋弛豫时间T2都能反映核与它所处的物理化学环境之间的相互作用关系.Tl,T2在物理、化学、生物、医学中的应用越来越广泛[2,3],测量技术也随之不断的发展.对T1的测量常用90°-τ-90°序列脉冲和180°-τ-90°脉冲来进行.这些方法的序列脉     

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…     

囚禁有限unitary费米气体的热力学性质

应用分数不相容统计,研究了三维简谐势阱中有限unitary费米气体在绝对零度和有限温度下的热力学性质,并与势阱中满足热力学极限条件的unitary费米气体进行了比较.结果表明:绝对零度时有限系统的费米能、粒子平均能量随粒子数的增加而增大,并以满足热力学极限系统的对应物理量为上限,有限系统的费米能、粒子平均能量随势阱边界变化存在极大值.有限温度条件下给定粒子数时,有限系统的粒子平均能量、粒子平均熵、粒子平均热容量分别存在对应的特征温度,当温度等于物理量对应的特征温度时,有限系统与满足热力学极限系统的同一物理量相等,低于(或高于)物理量对应的特征温度时,有限系统的物理量将大于(或小于)满足热力学极限系统的同一量.给定温度条件下,有限系统粒子平均能量、粒子平均熵、粒子平均热容量分别存在对应的特征粒子数,当粒子数等于物理量对应的特征粒子数时,有限系统与满足热力学极限系统的同一物理量相等,少于(或多于)物理量对应的特征粒子数时,有限系统的物理量将小于(或大于)满足热力学极限系统的同一量.     

脉冲激光烧蚀中电声弛豫时间的确定

为了提高脉冲激光制备薄膜的质量,准确掌握电声弛豫时间是关键,它对脉冲激光脉宽和能量密度的选取起着决定性的作用. 文中以铝靶材为例,利用经典的双温方程通过时域有限差分法(FDTD)得到电子、离子亚系统的温度随时间和位置演化的图像,进而得到电声弛豫时间的准确值. 这样便能准确划分热烧蚀和非平衡烧蚀,从而更好地控制激光的烧蚀过程. 同时找出了电声弛豫时间随激光脉宽以及能量密度变化的规律. 关键词： 飞秒激光 电声弛豫时间 双温方程 激光能量密度     

气相钌原子与氮分子作用机理计算研究

运用B3LYP/6-311+G*(LANL2DZ)详细地研究了Ru原子与N_2分子相互作用的单端位直线型L-Ru N_2和单侧双配位S-Ru N_2及插入化合物NRu N弯曲型和直线型的不同自旋多重度下多个电子态的平衡几何结构、电子结构、轨道布居和振动光谱等性质,同时对构型转化和插入反应过渡态及反应的势能曲线进行了计算.结果表明两种构型的复合物中一般低能态Ru对N_2的活化都不大,直线型的3Δ和3∑-相对基态反应物是能稳定存在的,轨道作用机制是σ/π授予与反馈.化合物NRu N与实验对照,13B1和11A1态可能是实验所观察的,两种构型中众多电子态相对于Ru(a~5F)+2N(~4S)是稳定的.势能曲线体现插入反应能垒很高,生成NRu N化合物在热力学和动力学上都是不利的.     

XeF,KrF准分子激光泵浦染料激光器

在各种波长的可调谐激光器中,染料激光器具有设备简单、制作方便、价格低廉、调谐范围宽等一系列优点,受到研究和应用方面的普遍重视.激光泵浦是获得染料激射作用的重要而有效途径.迄今为止,用来泵浦染料的激光器主要有以下几种:YAG的高次谐波[1],红宝石激光器及其二次谐波[2],Ar离子激光器[3],N2分子激光器[4]及准分子激光器[5,6]等. N2分子激光器因其结构简单.已成为许多染料的泵浦源,用N2激光泵浦的染料激光器已做到从355nm到655um的调谐输出和100kw的峰值功率.然而欲进一步提高输出功率和扩大调谐到更短波长区,却受到N2激光器本身可…     

统计力学的系综变换

一、引言 在统计力学中一般只研究三种统计系综,他们是微正则系综(适用于孤立体系)、吉布斯正则系综(适用于与热库有热相互作用的体系)和吉布斯巨正则系综(适用于与热库有热相互作用,又与物质库有粒子数交换的体系).体系处于平衡态,三种系综的分布函数为 ρ=cδ(E-E0)(1) 　ρ=e-ψ-E/kT(2) 　ρ=e-ζ-E/kT μN/kT(3)与这三种分布相应的热力学函数分别为式中(E,V,N)是由N个粒子组成、占有空间体积V的体系具有能量E的微观状态数;S、F和O分别是嫡、自由能和热力势.(4)一(6)式与(l)一(3)式等价,他们将热力学函数与配分函数联系起来,是三…     

用于电视显示的胆甾相─向列相相转变电光效应的研究

液晶用于电视的研究,意义是显而易见的.若能解决,对电视工业将是一个很大的冲击,就象液晶用于全电子手表工业那样或更甚.当前在显示方面常用的液晶电光效应主要有两种,即动态散射效应和扭曲效应,它们的响应速度(上升时间>几毫秒,下降时间有上百毫秒)均不能满足电视要求. 另外还有一种液晶电光效应,即相转变效应[1],已被人们所重视,最近几年对这种电光效应的研究逐渐增多起来了.但对其弛豫时间其说不一.如1972年Jakeman[2]等人对电感应的胆甾相—向列相相转变电光效应(以下简称Ch—N相变效应)进行了研究,得到了几十微秒的响应时间,并给出理…     

Surface plasmon enhanced solar-blind photoresponse of Ga2O3film with Ga nanospheres

正Semiconductor solar-blind(220-280 nm)photodetectors(PDs),which have important applications both in civil and military aspects,are mainly based on diamond[1],Al Ga N[2],Mg Zn O[3],and Ga_2O_3[4-11].Among these materials,Ga_2O_3has a direct band gap(~4.9 e V)just falling in solarblind spectral range,which makes Ga_2O_3a desirable candidate for solar-blind photodetection.Up to now,many kinds of Ga_2O_3PDs have been demonstrated including bulk[4,5],film[6-8]and nanostructures[9-11],as summarized in Table 1.From the summary,we can see although bulk GaOdevices     

强迫耗散系统的有序结构和系统的发展(Ⅰ)，最小熵产生原理和有序结构

一个系统的发展总是由不可逆热力过程和非线性动力过程所驱动.将大气动力学方程组同考虑了动能变化的Gibbs关系结合起来构建的熵平衡方程，才能更好地描述大气系统的不可逆热力过程和非线性动力过程.至今非平衡态热力学仅利用Onsager线性唯象关系证明了最小熵产生原理.利用新建立的熵平衡方程和大气动力学方程的性质证明，最小熵产生原理在热力学线性区和非线性区都是普遍成立的.且当热量输送平衡、水汽输送平衡和动量输送平衡时，系统达到不可逆过程最弱的最小熵产生热力学状态.当系统又是动力平衡且无平流时，这种最小熵产生态就是 关键词： 非线性热力学 熵产生 最小熵产生原理 有序结构