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…     

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。     

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…     

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…     

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…     

理想自旋系统的热容量

自旋系统是目前唯一可能实现负绝对温度状态的系统，由于自旋与自旋之间的相互作用十分微弱，所以此种系统可看成是理想的．本文对此种理想自旋系统进行了统计讨论，确定了系统的各种热力学函数，并给出了热容量Ｃ的表达式及其在 Ｔ＝±０Ｋ、±∞ Ｋ时的行为，这些结果与文献［１］、［２］、［３］中所涉及的结果是一致的     

外场中热力学系统能量和功的两种表述

在热力学和统计物理教科书中,处于外电场中电介质系统(或处于外磁场中磁介质系统)的热力学第一定律的数学表述采用两种不同形式 4U院=dQ-pdV+E·dP(H·dM)(1) dU2=dQ-pdV—P·dE(-M·dH)(2)通常热力学部分用(1)式,而统计物理中大多用(2)式.在这两种形式中,功具有不同表达式,系统能量也含有不同的物理意义.为了区别起见,我们分别用U1和U2表示这两式中的能量.能量守恒定律为什么会有两种不同表述?这常使初学者感到困惑不解.本文以外电场中的电介质系统为例分析这两种表述的由来,差别以及它们之间的联系.所有讨论也完全适用于磁场中的磁…     

稳恒电流中能量守恒与转化定律的普遍形式

一　问题的提出 当我们进行基尔霍夫第二定律教学的时候可能会碰到两个问题;基尔霍夫第二定律与欧姆定律的关系如何和该定律的正负号规定法则的由来或依据是什么?围绕着这两个问题,探找了稳恒电流中有关能量守恒与转化的问题,现介绍如下.二　存在一个关于能量守恒与转化的普遍式 如所周知,热力学第一定律是说[1]:如果系统由某一状态经过任意过程到达另一状态,则其内能的增加等于在这过程中外界对系统所做的功和系统吸热的总和.即稳恒电流的条件要求任何参量都不随时间变化,因而电荷作稳定的流动以及回路导线内的电场E满足位场的条件。现在…     

N个光子所组成气体的能态密度

由N个光子所组成气体的能态密度的严格计算是一个非常困难的数学问题,至今在文献中尚未见到.在经典近似极限下的结果见于R K Pathria所著Statistical Mechanics P 49,但该书没有给出详细推导过程.在马本、高尚惠、孙煜编的。热力学与统计物理学。(以下简称《热统》)一书中第七章系综理论的思考题及习题中的第一题即为上述问题:找出N个光子气体的态密度与其能量的函数关系,其能量为E=,其中c为光速.这一问题由于在习题中出现,这就使它成为在《热统》教学中必须认真考虑的问题.而在刘再祥、高尚惠所编《热力学与统计物理习题解答》一书中,…     

吉布斯佯谬的热力学解决

吉布斯佯谬是人们熟知的一个问题,在历史上它引出于热力学,被解决于统计物理.由于在统计物理中,这一佯谬问题刚好和粒子的全同性问题关联在一起,因此它历来受到人们的重视.在通用教材[1-5]中,认为吉布斯佯谬只有在统计物理中才能透彻解决;我们认为可以在热力学内解决这一问题.实际上产生吉布斯佯谬的原因,是使用了一个不该采用的滴的表达式.而如果熵的表达式与熵是广延量相容,就不会出现吉布斯佯谬.为简单起见,在本文的讨论中,认为定容摩尔热容量Cv及定压摩尔热容量Cp都是常量.一、吉布斯佯谬 设n;、V;、T及P分别为第7部分理想气体在混合…     

负绝对温度的热力学及其重要性质

一、引言通常我们认为物体的温度是对物体冷热程度的描述。在热力学里,一个热力学系统的绝对温度T可以用系统内能U或系统焓I对系统熵S的导数来规定: 这里x和y是一对外延量和内合量。对于一般热力学系统,通常系统的内能和焓都是熵的不减函数,也就是说,内能或焓随熵的增加而单调地增加。这样从(1)式就得出结论,系统的温度     

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…     

关于"对‘燃料电池物理及化学性能的有限时间热力学分析方法''的讨论”答复

把有限时间热力学理论用于化学过程的研究,将会得到一系列新的结论,开展这方面的研究是很有意义的.文献[1]以燃料电池为例,在同时考虑化学反应及传热不可逆性的情况下,研究了燃料电池的性能界限,文献[2]指出了文献[1]计算化学反应及传热不可逆性而引起系统与有关环境的总熵产生率的错误以及由此而导致的结论所存在的问题,并进行了富有启发性的分析与讨论.但文献[2]对于系统与有关环境的总熵产生率的计算也是不正确的,由此得到的其它结论自然不能成立.本文将就此情况下系统与有关环境的总熵产生率的计算再次进行讨论,并给出电池     

温度、负温度、温标

温度是个十分重要的物理概念。但是,涉及温度概念的一些有趣的问题,比如:绝对温度是否只能是正的?正无穷大的绝对温度是否是世界上最高的温度等等,却是在本世纪五十年代后才逐步搞清楚的。本文想粗浅地谈谈这些问题。 一个简化的例子 先考虑一个简化的例子。 讨论一由N个定域的近独立子系组成的体系。为简单起见,设体系中的粒子只能占据ε1和ε2。两个能级(ε2>ε1)。显然,在绝对零度时,由于热激发为零,而体系达到平衡时能量又必须取极小值,因而N个粒子都必然处在最低能级ε1上,体系的能量E=Nε1,熵S=0。现在问,能否通过不断升高体系的温…     

用水银制作液体温度计是因为水银的比热小吗?

有的教学参考读物上在讲完比热容概念以后,举出水银温度计和酒精温度计作比较,说由于水银的比热比酒精的小得多,因此水银温度计比酒精温度计灵敏得多.这种说法是不准确的.为了更清楚地说明问题,先从温度测量原理说起. 通过对大量实验事实的概括和总结,得出:如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统的热状态处于热平衡,则这两个热力学系统彼此也必定处于热平衡.这个结论被称为热力学第零定律,它指明一切互为热平衡的物体都具有相同的温度,这就是用温度计测量温度的理论依据.选择适当的温度计,使温度计与被测物体接触,经过一段时间达到热平衡后,温度计所显示的温度就等于被测物体的温度.     

关于不可逆卡诺循环一些问题的讨论

文献[1]在内可逆卡诺热机模型的基础上,考虑了绝热压缩和膨胀过程中的不可逆性,引进所谓完全不可逆卡诺热机模型,并声称对卡诺热机中的不可逆性进行了全面分析.尽管所用的“完全”、“全面”等词不尽妥当,甚至文中有些结论不对,但所引进的模型并不违背热力学基本原理,且有一定的意义,由它可初步分析传热以外的其他不可逆性对不可逆卡诺热机性能的影响.指出文献[1]中的一些问题是有必要的,但文献[2]认为“不存在这种不可逆卡诺循环”则出于误解.臆测“其他文献上对卡诺循环不讨论压缩膨胀过程的不可逆性”也不符合事实.实际上,国内外都有讨论…     

高温测量技术(Ⅰ)

1)七个基本物理量及其单位是:长度—米(m):质 量—千克(kg); 时间—秒(s):电流强度—安 培(A):热力学温度—开尔文(K): 光强度—坎 德拉(cd):物质的量—摩尔(mol). 一、引 言 温度是七个基本物理量之一1).温度的宏观定义是“冷热程度的表示”或是“互为热平衡的两物体,其温度相等”.热力学第零定律为建立温度的概念提供了实验基础.第零定律说,如果两个热力学系统的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡,则它们彼此也必定处于热平衡.该定律说明,处于热平衡状态的所有热力学系统都具有共同的宏观性质.这一宏观特性用温度表示,即一切互为热平…     

热力学系统可逆绝热过程的温度限制

指出了并不是所有的热力学系统都可以通过一个可逆绝热过程，使其从一个温度状态到达另一个温度状态，因而热力学系统一定温度间卡诺循环的实现是有条件的，同时也对热力学温标的测温物质作了一些讨论。     

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…