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:     

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…     

密度泛函理论研究LiX(X=H,D,T)体系的热力学性质

运用量子力学从头计算方法,计算了氢化锂(氘化锂、氚化锂)分子的部分热力学函数和力学、光谱学性质。基于准简谐Debye模型,计算了固体Li的振动内能、振动和电子熵,探讨了Li吸收氢同位素气体生成一氢化物的反应熵变、生成焓变和生成Gibbs自由能及氢同位素的平衡离解压。结果显示:在Li吸收同位素气体生成一氢化物的反应中,生成焓变和反应熵变均为负值,且随温度升高,绝对值越大,Gibbs自由能则向正的方向增加。热力学上,在相同温度和压力下,氢置换一氢化物中的氘和氚、及氘置换氚的反应更易发生。     

Berthelot流体的热力学性质和参数解

研究了Berthelot流体的热力学性质.导出了单原子Berthelot流体Helmholtz自由能、熵、吉布斯函数、内能和焓;求得了Berthelot流体两相共存的的参数解,并用参数解讨论了Berthelot流体的相图和热力学量在临界点的行为及其相关性质.本文的研究为符合Berthelot流体的物质提供了热力学及其相变的解析理论.     

理想气体热容的声学测试技术研究

根据热力学基本定律导出的一些热力学关系式,确定了各种热力学参数之间的普遍关联.只要知道了流体在理想气体状态下热容随温度的函数关系以及流体的状态方程,就能确定出该流体的内能、焓、熵、自由能、自由焓、(火用)以及逸度系数等热力学参数.此外,理想气体状态下的热容数据,还可用以反推分子结构与分子间相互作用的微观特性.因此,用实验方法确定工质在理想气体状态下的热容,对于流体工质热物性的研究具有十分重要的意义和作用.     

热力学中的相对论变换

以洛伦兹变换为基础讨论了理想气体体积、 压强、 内能、 温度、 熵等热力学量的相对论变换, 并从理想 气体状态方程和理想气体摩尔热容的角度说明了普朗克、 爱因斯坦和德布罗意给出的相对论温度变换更加合理     

硬球势中相对论费米气体的热力学性质

用量子统计与数值模拟相结合的方法,在广义外势中相对论费米系统的热力学量的基础上,研究硬球势中相对论费米气体的热力学性质.得到了考虑相对论效应时系统的内能和热容量的解析表达式,分析了相对论效应对内能和热容量的影响.研究表明:与非相对论比较,相对论费米气体的内能和热容量更高;相对论特征量越大,热容量的转折温度越低;随着温度的升高,特征量越大,内能就越大.     

高温高压下湿空气的焓和熵计算

本文以湿空气透平和压缩空气储能系统中的工质-湿空气为研究对象,运用所提出的一个适合计算高温高压湿空气热力学性质的对应态维里方程,对湿空气的偏差焓和偏差熵进行了计算.在湿度0≤ W≤1 kg/kg(A),温度小于573.15 K,压力小于5 MPa时,与ASHRAE用的多项式维里方程计算得到的偏差焓和偏差熵进行了比较,误差很小.用这个对应态维里方程外推计算了温度和压力分别达到600 K和15 MPa的湿空气焓和熵.计算结果表明对湿空气而言压力和湿度越大,偏差焓和偏差熵越大;温度越高,偏差焓和偏差熵越小.     

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.     

透平转子的空气冷却和用有限元法计算枞树形榫头温度场的研究

稳定温度场的有限元法 对于边界为f的平面物体G,根据变分原理,可以证明满足拉普拉斯方程和第三类边界条件的温度函数t(x,y)是使如下泛函取极小的函数:文献[1]指出,根据不可逆过程热力学的昂色格理论和定态最小熵产生率原理,U(t)是与该物体系统熵产生率相联系的量,而该泛函取极小即是系统定态最小熵产生率原理。同样可以证明,相应于第二类边界条件的泛函为:     

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…     

均匀物质热力学关系记忆法

均匀物质的热力学关系是研究其热力学性质的基本方程.但是这些用全微分和偏微商表示的关系形式相近,极易错乱.为了准确记忆,曾提出过不少办法[1],现经加工提炼,介绍如下. 一、热力学函数和“魔句” “Good Physicists Have Studied UnderVery Fine Teachers.”(杰出的物理学家都受到过极为优秀教师的教诲.)按照精心设计的这一句英语的词首字母,把八个热力学函数排列成G(古布斯函数),P(压强),H(焓), S(熵), U(内能), V(体积), F(自由能),T(温度),并用方框从顶角开始顺时针安置如图1.这是记忆法的基础. 二、全微分公式记忆法 图一顶角…     

热力学第一定律中的内能

大多数导论性的物理教科书在热力学系统的内能的定义中通常声明或暗示：系统的质心动能不是内能的一部分，这与它们对热力学第一定律的表述△Ｕ＝Ｑ－Ｗ不一致，如果不将系统的质心动能作为内能Ｕ的一部分，热力学第一定律应表述为△Ｕ＋△Ｋ质心＝Ｑ—Ｗ，文中给出了一些例子，这一点在许多广泛使用的教科书中都需加澄清．     

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…     

高压下Ni_3Al热力学性质的第一性原理研究北大核心CSCD

运用第一性原理方法结合准谐Debye-Grüneisen模型研究了高压下Ni3Al的热力学性质,拟合了Ni3Al的状态方程,计算了不同压强下Ni3Al的弹性模量及吉布斯自由能等热力学性质随温度的变化关系.计算结果表明:采用七阶Birch-Murnaghan方程拟合的晶格常数与实验测量结果吻合较好;零压下弹性模量、吉布斯自由能、焓、熵、热容和体膨胀系数随温度的变化与实验值符合较好;在特定压强下,Ni3Al的弹性模量和吉布斯自由能随温度升高而减小,焓、熵随温度升高而增加;预测的德拜温度约为500K,与实验值符合较好.     

环面黑洞的热力学函数

本文把宇宙学常数看成与压强相当的动力学变量,研究了环面黑洞的热力学函数.计算得到环面黑洞的状态方程,环面黑洞的Smarr关系.然后通过计算其欧氏作用量得到了吉布斯函数,并进一步求得环面黑洞的自由能、内能和热力学焓,以及环面黑洞的定压热容和定容热容.结果表明:环面黑洞没有范德瓦耳斯型的相变.环面黑洞的定压热容大于零,定容热容等于零,故是一个稳定的热力学系统.     

Thermodynamic Calculation on the Formation of Titanium Hydride

从钛氢化物的组成元素的基本性质出发,利用修正的Miedema生成热模型,对TiHx (1≤x≤2)的标准焓变行了计算. 采用量子力学和统计热力学的方法,计算出了TiH2的振动和电子熵,提出了一种计算TiH2标准熵变的方法. 结果表明,TiHx的标准焓变值随着x的增加呈线性关系减少. 计算得到的TiH2在298.16 K时的标准焓变值、标准熵变值以及吉布斯自由能分别为-142.39 kJ/mol、-143.08 J/(mol?K)和-99.75 kJ/mol. 计算结果与文献中实验或理论计算得到的结果均符合较好,表明所提出的钛氢化物的热力学模型是可行的.     

高压下Ni3Al热力学性质的第一性原理研究

运用第一性原理方法结合准谐Debye-Grüneisen模型研究了高压下Ni3Al的热力学性质,拟合了Ni3Al的状态方程,计算了不同压强下Ni3Al的弹性模量及吉布斯自由能等热力学性质随温度的变化关系. 计算结果表明：采用七阶Birch-Murnaghan方程拟合的晶格常数与实验测量结果吻合较好;零压下弹性模量、吉布斯自由能、焓、熵、热容和体膨胀系数随温度的变化与实验值符合较好;在特定压强下,Ni3Al的弹性模量和吉布斯自由能随温度升高而减小,焓、熵随温度升高而增加;预测的德拜温度约为500K,与实验值符合较好.     

RuH2和RuN2分子热力学稳定性的理论研究

用密度泛函B3LYP方法计算了RuH2和RuN2分子的结构和不同温度下的热力学函数及生成反应的标准焓变△H°、标准熵变△S°和标准自由能变△G°.结果表明,温度低于698.15 K时固态RuH2具有热力学稳定性,温度低于398.15 K时固态RuN2具有热力学稳定性.     

橡皮筋热缩性质的定量表示及应用

利用热力学知识解释了橡皮筋受热收缩的原因.使用电子秤测量橡皮筋所受的熵力,并用温度拟合的结果得出橡皮筋定长时熵力与温度的关系,研究了橡皮筋伸长时内能的变化和熵的变化对张力的贡献.实验结果表明:常温下橡皮筋的弹力主要由构像熵引起.利用橡皮筋热缩性质制作了橡皮筋热机,当光照角度为-30°时热机平均转动速率最大,热机转动最为顺畅.