非对称有限热源之间热机循环的基本热力学约束

为讨论更一般情形中有限热源之间的热力学约束，探讨了在2个具有非对称热容有限热源之间工作的热机循环问题.假定热源热容C满足德拜定律C∝Tⁿ，高低温热源不对称体现在它们关于温度(T)的幂指数(n)不同.对于通常的固体材料，n由材料的空间维度和所处温度区间决定；在低温热源与高温热源初始热容比很大或很小的2个极限区域，证明了热机最大功率效率关于最大功效率的函数具有不依赖于热源维度的普适形式.在数值上探讨了2热源初始热容大小对称而热容(关于温度变化)行为不对称的特殊情况，结果显示，最大功效率和最大功率效率随高温热源维度的增大而升高，而关于低温热源维度变化的单调性则与低高温热源的初始温度比T_L/T_H有关.这一结果表明，若将有限热源的热容性质纳入其间热机循环的优化考量，则循环在低温端的优化方向(n在给定区间内的大小选择)要由热源初始温度所确定的卡诺效率η_C≡1-T_L/T_H决定.     

引力波观测支持黑洞面积定理

黑洞面积定理表明黑洞顺时演化面积不会减小,这被证明与热力学第二定律相对应.注意到LIGO近来的4次引力波观测数据均来自双黑洞的融合过程,进而本文利用这些观测数据对面积定理进行验证.结果显示该4次观测结果均支持黑洞面积定理.此外,本文也从理论上给出了N个黑洞融合时面积定理的等价表述.     

旋转球体在空气中的运动轨迹:由2020年北京高考物理14题引发的思考

2020年北京高考物理第14题考查了旋转篮球在空中的运动特征.试后,该题所涉及的偏转力以及对篮球运动状态的判断引起了热议.本文从题目背景出发,首先基于伯努利原理分析了旋转球体相对流体运动时所受偏转力(马格努斯力)的形式.进而,通过建立球在空中运动的动力学方程,具体讨论了旋转球体在不同初始条件下释放后在空中的运动轨迹.本...     

一个有趣的热力学问题:硬币何时“翩翩起舞”?

从热力学的角度,本文对2018年国际青年物理学家锦标赛(IYPT2018)的第三个课题"跳舞的硬币(Dancing Coin)"进行了理论分析.该现象与生活密切相关,描述了一个温度非常低的瓶子上一枚硬币所发生的运动,且这样一个热力学系统可作为一个很好的教学案例,让学生对气体的热化、绝热膨胀等相关热力学过程有直观深入的了解.本文的研究得到硬币弹起时间和系统的热力学量的关系,同时发现,硬币"跳舞"的时间间隔与系统与环境的温差呈负相关,即硬币跳舞的时间间隔随着系统被环境加热而越来越长,直至无法跳起.进一步研究表明,瓶内气体的初始温度与环境温差越大,最大弹起次数越大;临界压强与大气压越接近,最大弹起次数越大.本文最后通过实验验证了所给理论模型中的假设及其预言的正确性.     

如何在两个黑洞间建造热机：从2023年CPhO决赛题说起

2023年全国中学生物理竞赛决赛理论第五题涉及黑洞热力学.本文在介绍黑洞热力学基本背景的基础上,结合笔者的研究经验,分析黑洞间热力学循环的特征,最后概述与此相关的有限系统热力学与统计物理领域的部分前沿问题的研究进展.     

时空混沌保密通信在计算机上的数值实验

介绍了一种把Logistic映射产生的同步时空混沌用于信息保密传输的方案,用Matlab对整个过程进行数值实验,实现了对一张图片进行加密及解密的全过程,通过加入线性放大及同余操作降低了加密后图像与原始图像的自、互相关性,证明了该系统的可靠性,为在真实的系统中实现整个过程打下了理论基础.     

撒克逊碗的下沉临界条件与沉没时间

“撒克逊碗”是一种底部有孔的计时装置。本文以圆柱形撒克逊碗为例，建立了其在水中下沉的物理模型。首先，本文确定了撒克逊碗顺利下沉的临界条件，包括水能涌入碗的条件和碗初释放时出现倒灌现象的条件。然后，本文研究了水涌入碗后系统的动力学过程，推导出碗的下沉时间与碗的几何特征间的定量关系。进一步，本文设计了实验以检验理论模型的正确性。与实验得到的碗下沉时间相比，相应的理论值普遍偏小。将碗下沉过程中受到的黏滞阻力和压差阻力、孔口处淹没射流及水头损失、碗完全浸没前受表面张力的影响考虑在内后，理论和实验的一致性明显增加。最后，本文还引入了壁面函数用于分析形状各异的撒克逊碗的下沉时间。     

能造出功率和效率都高的热机吗?——有限时间热力学的发展与展望

在热力学中,功率和效率是衡量热机性能的两个主要参数.根据经典热力学,可逆热机效率的上限是卡诺效率,但相应的功率为零.这是因为卡诺效率的实现依赖于时间无穷长的准静态假设.因此,如何根据实际需求,在保证热机功率前提下提高热机效率成为热力学一个重要的科学挑战问题.在20世纪上半叶应运而生的有限时间热力学,今天得到了蓬勃发展,...     

负折射率材料及其成像规律 ——由2020年北京普高适应性测试物理卷第14题引发的思考

针对最近热议的2020年北京普高适应性测试物理卷第14题中所涉及的负折射率材料,文中对这类材料的研究历史与前沿进展进行了简要介绍,对该问题中出现的"是否超光速"这一争议点进行了讨论.然后根据光在负折射率材料中的传播规律,对一块由负折射率材料构成的具有一定厚度的平板介质的成像特点进行了计算,得到了其成实像的判定条件,并与...