现代热力学的完整分类系统--非平衡非耗散热力学新领域

在同一体系中同时有多个不可逆过程时，不可逆过程之间会有相互影响，原来的非自发过程有可能在其他自发过程的影响下得以进行，这种现象就称为热力学耦合或反应耦合，长期以来，经典热力学把热力学第二定律的等式作为平衡体系的充分必要条件，其中隐含了一个前提性的假定，即经典热力学的对象只限于非耦合的体系，摈弃这一隐含的前提性假定以后，热力学自身就发展成为一个现代热力学的完整学术体系，适用于任何宏观体系（包括极其复杂的生命体系），现代热力学的完整学术体系中包含了一个崭新的非平衡非耗散热力学新领域，由于该领域属于热力学第二定律的等式部分，因此可以定量计算，并得到一系列理论计算的非平衡相图，与文献上报道的激尖低压金刚石合成等的大量实验数据相符。     

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。     

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-,其中T_c和T_h分别对应于低温热库和高温热库的温度。     

非平衡热力学中传热过程熵产表达式的修正

熵产是非平衡热力学中的核心物理量,传统上表示为广义力(驱动力)与广义流的乘积.这种表达存在两方面缺陷:一是广义力与广义流的拆分具有任意性;更重要的是,以其计算热波传递时熵产可以为负值,从而违反热力学第二定律.本文基于热质理论分析表明,传热过程的熵产实质上是由热质流体的热质能耗散引起的,所以熵产中的力不是驱动力而是阻力,并且具有力的量纲.由此提出的熵产修正表达式,不仅在计算热波传递过程中熵产恒为正值,与扩展不可逆热力学中的熵产表达式一致,而且不存在力和流拆分的任意性.     

低维纳米材料量子热输运与自旋热电性质 ——非平衡格林函数方法的应用

低维材料不断涌现的新奇性质吸引着科学研究者的目光. 除了电子的量子输运行为之外, 人们也陆续发现和确认了热输运中显著的量子行为, 如 热导低温量子化、声子子带、尺寸效应、瓶颈效应等. 这些小尺度体系的热输运性质可以很好地用非平衡格林函数来描述. 本文首先介绍了量子热输运的特性、声子非平衡格林函数方法及其在低维纳米材料中的研究进展; 其次回顾了近年来在 一系列低维材料中发现的热-自旋输运现象. 这些自旋热学现象展现了全新的热电转换机制, 有助于设计新型的热电转换器件, 同时也给出了用热产生自旋流的新途径; 最后介绍了线性响应理论以及在此理论框架下结合声子、电子非平衡格林函数方法进行的一些有益的探索. 量子热输运的研究对热效应基础研究以及声子学器件、能量转换器件的发展有着不可替代的重要作用.     

非平衡系统的势函数理论

势函数是在平衡态统计物理中应用得十分成功的理论，将势函数理论推广到非平衡系统是非平衡态统计物理的一项十分重要的任务。本文综述了非平衡态势函数理论的一个重要方面，即利用对随机过程的研究来建立系统的势函数，本文阐述了非平衡系统势函数的定义和概念；论证势函数在系统演化过程中的单调性质；详细介绍了各种计算非平衡势函数的方法；同时介绍了利用势函数解析地研究在噪声作用下的非线性系统的非定态演化行为。整个研究包     

热光伏能量转换器件的热力学极限与优化性能预测

受不可逆损失的影响,热光伏能量转换器件在高品位热能回收与利用方面受到限制.本文揭示不可逆损失来源,提供热光伏能量转换器件性能提升方案.利用半导体物理和普朗克热辐射理论,确定热光伏能量转换器件在理想条件下的最大效率.进而考虑Auger与Shockley-Reed-Hall非辐射复合和不可逆传热损失对光伏电池的电学、光学和热学特性的影响,预测热光伏器件优化性能.确定功率密度、效率和光子截止能量的优化区间.结果表明:相比于理想热光伏器件,非理想热光伏器件的开路电压、短路电流密度和效率有所降低;优化热光伏电池电压、光子截止能量和热源温度,可提升器件的功率密度和效率.通过对比发现理论与实验结果较一致,所得结果可为实际热光伏能量转换器件的研制提供理论指导.     

双温度氩-氮等离子体热力学和输运性质计算

获得覆盖较宽温度和压力范围内的等离子体热力学和输运性质是开展等离子体传热和流动过程数值模拟的必要条件.本文通过联立Saha方程、道尔顿分压定律以及电荷准中性条件求解等离子体组分;采用理想气体动力学理论计算等离子体热力学性质;基于Chapman-Enskog方法求解等离子体输运性质.利用上述方法计算了压力为0.1, 1.0和10.0 atm (1 atm=101325 Pa),电子温度在300—30000 K范围内,非局域热力学平衡(电子温度不等于重粒子温度)条件下氩-氮等离子体的热力学和输运性质.结果表明压力和非平衡度会影响等离子体中各化学反应过程,从而对氩-氮等离子体的热力学及输运性质有较大的影响.在局域热力学平衡条件下,计算获得的氩-氮等离子体输运性质和文献报道的数据符合良好.     

聚噻吩单链量子热输运的第一性原理研究

聚噻吩块体通常被视为绝热材料,其热导率小于1W·m~(-1)·K~(-1).但近年发现对于室温下沿聚噻吩分子链方向排列的无定形聚噻吩纳米纤维,其热导率高于聚噻吩块体,可达4.4W·m~(-1)·K~(-1).为了相对准确地揭示纳米尺度聚噻吩单链热输运的微观特征,从量子力学出发,在密度泛函理论计算的基础上,应用中间插入延展方法结合非平衡格林函数方法,对长度为25.107nm、包含448个原子的聚噻吩单链的量子热输运及其同位素效应进行了研究,并与分子动力学方法模拟的结果进行了详细比较.结果表明:室温下32 nm长的纯聚噻吩单链热导率上限高达30.2 W·m~(-1)·K~(-1),与铅的热导率35 W·m~(-1).K~(-1)相近;相同掺杂比例(原子百分数)下C元素热导的同位素效应比S元素显著;室温下聚噻吩单链中~(12)C,~(13)C等比例随机掺杂时的同位素效应最为显著,此时聚噻吩单链的平均热导至少降低了30%;室温下纯聚噻吩单链的热导随C的相对原子质量增加近似呈反比例减小,随S的相对原子质量增加呈非线性单调增加.该研究对认识和调控聚噻吩这种新型功能材料的热输运特性具有积极的价值.     

非平衡定态相图新概念及其应用——激活低压金刚石气相生长热力学

在激活的低压条件下，金刚石气相稳定生长的同时石墨会被腐蚀．这是近二三十年来国际上的一个热力学难题，甚至被认为是“热力学的悖论”．用非平衡热力学耦合理论可以给予很好的解释，并推导出非平衡定态相图的全新概念．在新型相图中金刚石在低压下是稳定相，而石墨被激活成为亚稳相．理论计算与文献报道的大量实验数据定量化地相符     

多空穴错位分布对石墨纳米带中热输运的影响

利用非平衡格林函数方法研究了石墨纳米带中三空穴错位分布对热输运性质的影响.研究结果发现:三空穴竖直并排结构对低频声子的散射较小,导致低温区域三空穴竖直并排时热导最大,而在高频区域,三空穴竖直并排结构对高频声子的散射较大,导致较高温度区域三空穴竖直并排时热导最小;三空穴的相对错位分布仅能较大幅度地调节面内声学模高频声子的透射概率,而三空穴的相对错位分布能较大幅度地调节垂直振动膜高频声子和低频声子的透射概率,导致三空穴的相对错位分布不仅能大幅调节面内声学模和垂直振动模的高温热导,也能大幅调节垂直振动模的低温热导.研究结果阐明了空穴位置不同的石墨纳米带的热导特性,为设计基于石墨纳米带的热输运量子器件提供了有效的理论依据.     

旋转磁场中朗道系统的非绝热非周期性量子几何相位和Hannay角

基于代数动力学，精确求解了旋转磁场中的朗道系统，讨论了它的一般几何相位，给出了一般量子几何相位中对应于规范势的那部分相位的经典对应. 数值计算结果显示出非绝热演化和绝热演化的重大区别：非绝热演化诱导的非绝热量子激发引起系统物理量的非周期性和复杂性，体现了环境对系统的影响.     

多通道石墨纳米带中弹性声学声子输运和热导特性

采用非平衡格林函数方法, 在保持总的能量输出通道中石墨链数不变的条件下, 研究并比较了并列的石墨纳米带通道中弹性声学声子输运和热导特性. 结果表明, 能量输出通道的增加能降低每个能量输出通道的热导; 与能量输入热库最近的能量输出通道热导最大, 最远的能量输出通道热导最小; 中间能量输出通道的热导性质与并列的各输出通道的结构参数密切相关, 最近和最远的能量输出通道的热导性质仅与各自能量输出通道的结构参数有关; 粗糙边缘结构能有效调节各通道的热导; 总的热导性质与能量输出通道石墨链数、能量输出通道数以及边缘结构粗糙程度密切相关.     

基于变换热力学的任意形状热集中器研究与设计

如何灵活地控制和操纵热流是目前研究的热点.本文根据变换热力学方法,导出了具有任意横截面形状热集中器的材料参数表达式,并在此基础上设计了具有圆形、椭圆形、正五边形等规则横截面形状的热集中器和具有共形、非共形任意横截面形状的热集中器.全波仿真结果表明,这些热集中器使等温线和热通量向其压缩区弯曲,靠近热源的一侧热扩散加快而相反的一侧热扩散减慢,在很小的区域内表现出对热量的集中作用,这一特点在热能工程中有潜在应用.此外,研究了圆柱形热集中器的层化实现方法.结果显示,热集中器可通过将同性材料沿角向分层交替填充来实现.这项工作对热集中器的设计及制备具有指导意义.     

对含有非热力学平衡离子的尘埃等离子体中孤波特性的理论研究

得到了描述由尘埃颗粒电荷变化、非热力学平衡分布的离子和Boltzmann分布的电子组成的未磁化的热尘埃等离子体中的尘埃声波的修正的KdV (mKdV) 方程. 并对诸多的尘埃等离子体参数对尘埃声孤波结构的影响进行了理论研究，结果表明，尘埃等离子体参数决定着尘埃声孤波结构，且只在这些参数特别选定的一些区域，才会出现稳定的孤波. 关键词： 非热力学平衡离子 尘埃颗粒电荷变化 尘埃声孤波     

吸附剂与铅反应的热力学平衡分析

本文采用热力学平衡分析的方法,对两种吸附剂CaO和SiO2控制燃煤中铅的排放进行了计算．计算使用软件CHEMKIN．结果表明CaO对铅的化学吸附效果很差,而SiO2对铅的化学吸附效果较好．对煤中含有的硫、氯对吸附剂性能的影响也进行了评价,硫和氯会抑制SiO2对铅的吸附效果,但在1200-1300 K对铅的化学吸附效率仍在75％以上．讨论了不同硅铅比对于化学吸附效率的影响,对于实际中选择恰当的硅铅比有指导意义。     

螺旋光纤系统中非绝热条件几何相移

由于绝热条件几何相位量子逻辑门存在非绝热差错与退相干差错这一冲突，因此在拓扑量子计算中需要设计非绝热条件几何相门，以克服这一不足.证明螺旋光纤系统内光子有效哈密顿量恰好是一个Wang Matsumoto型哈密顿量，因此螺旋光纤系统能自动产生非绝热条件几何相移.同时还证明在螺旋光纤方案中，由极化光子与螺旋光纤相互作用哈密顿量所导致的动力学相位为零（这正是拓扑量子计算所要求的），以及在螺旋光纤系统中可以通过控制极化光子初始波矢，从而较容易获得条件初始态.总之，螺旋光纤系统方案能自动满足Wang与Matsumoto的核磁共振方案中为实现非绝热条件几何相移所提出的全部条件与要求. 关键词： 几何相位 螺旋光纤系统 Wang Matsumoto型哈密顿量 拓扑量子计算     

几何视角下的热力学

几何和热力学中的联系长期没有受到足够的注意.本文用几何分析了热力学中的三个问题.第一,从数学上切触几何理解汤姆孙-贝特洛原理,并直接提炼出热力学第三定律;第二,如何从二维曲面的高斯曲率研究气液临界点附近的形状,研究van der Waals方程中a、b系数是否和温度有关这一问题;第三,涨落理论可以有度规描述并具有标量曲率,并利用van der Waals方程展示了标量曲率如何刻画分子之间的相互作用.因此,通过挖掘热力学问题的几何内涵不但可以解决热力学疑难问题,还可以发现新的研究方向.     

基于非平衡电桥原理的热导池

热导池的核心结构是非平衡电桥,介绍了热导池的工作原理,并进行了程序升温还原和程序升温脱附实验.     

氢化钚与空气反应的热力学平衡计算

氢化钚与空气系统中有6个独立组分,即PuH2.7(s)、PuN(s )、Pu2O3(s)、N2(g)、O2(g)和H2(g)及4个元素,故有2 个独立反应。这两个反应的ΔG°<<0,计算表明：气相和固相质量衡算基本趋于平衡 ,与文献［6］实验结果相符。因而,氢化钚与空气反应极快。这对于钚材料的贮存有一定 参考意义。