能量转换量子系统的热力学特性及其研究进展

量子物理是理解微观粒子运动规律的现代物理学理论.它与信息、生命以及化学等学科相互联系日益紧密,引发了许多新技术革命,深刻影响着人类的生活,已成为社会经济发展的原动力之一.当前,量子物理和能源科学结合,正在产生新的学科生长点.本文主要概述多种类型能量转换量子系统的发展;结合国内外的研究现状,系统地阐明如何应用热力学理论研究量子体系的能量操控以及微观器件的优化设计;总结量子热力学循环、能量选择量子电子器件、量子点热管理器件等在理论和实验方面研究的代表性成果和进展;展望量子物理与能源科学交叉领域发展的新方向.     

有限速率过程对热机输出功率和效率的影响

讨论了在给定的两个热源温度和压缩比的情况下,有惯性效应和热阻而使过程速率有限的热机的最优性能。导出这类热机以理想气体或范德瓦耳斯气体为工质时的最佳效率与输出功率间的关系。并推出一些与压缩比有关的新结论。     

半导体温差发电器的输出功率

应用非平衡态热力学理论，并从热传导方程出发，分析傅里叶热流、焦耳热和汤姆孙热等因素对半导体温差发电器性能的影响，导出发电器的输出功率一般表示式，探讨最大输出功率及其有关的优化条件．得到一些有意义的新结论．     

Nonequilibrium free energy and information flow of a double quantum-dot system with Coulomb coupling

We build a double quantum-dot system with Coulomb coupling and aim at studying connections among the entropy production, free energy, and information flow. By utilizing concepts in stochastic thermodynamics and graph theory analysis, Clausius and nonequilibrium free energy inequalities are built to interpret local second law of thermodynamics for subsystems. A fundamental set of cycle fluxes and affinities is identified to decompose two inequalities by using Schnakenberg's network theory. Results show that the thermodynamic irreversibility has energy-related and information-related contributions. A global cycle associated with the feedback-induced information flow would pump electrons against the bias voltage, which implements a Maxwell demon.     

有限系统中的若干热力学问题

对偏离热力学极限条件的有限系统中的若干基本热力学问题作些探讨.结果表明,尺度效应使系统产生一系列新的物理特性,使得统计物理教科书中诸多人们熟悉的结论对有限系统不再适用.     

余函数的特性函数—内压能和余体焓

本文指出余体焓也象内压能一样,是一个很有用的余函数的特征函数,导出用余体焓和内压能所表示的全部余函数△X(T,P)和△X(T,v)的微分方程,以及余体焓与内压能之间的关系,这为利用P=P(T, v)或v=v(T,P)型状态方程计算实际气体由T,v或T,P表示的各项热力学性质提供了简捷途径。     

二热源制冷机的（εR）max

指出二热源制冷机的制冷系数ε与制冷率R 的乘积εR存在最大界限(εR)_(max)。它是制冷机的一个重要性能参数。讨论了三种不同情况下(εR)_(max)的主要特征,所得结果将有助于对实际制冷机各种性能界限的进一步了解,并可对制冷机最佳工作状态的选择提供一些新的理论依据。     

理想量子气体的尺度效应

根据欧拉-麦克劳林(Euler-MacLaurin)公式,导出有限理想量子气体的热力学量表达式,揭示系统尺度和边界形状对其性质的影响.结果表明,有限尺度效应导致了一系列与热力学极限条件下不同的性质特征,如系统的非广延性和压强的各向异性等.     

Expressions for Entropy Production Rate of Fuel Cells

基于燃料电池的一般模型,应用电化学和热力学理论导出燃料电池系统在不同条件下熵产生率的表示式．为了分析存在实际燃料电池中不可逆损失的影响,引进燃料电池的等效电路,直接将燃料电池的不可逆因子表示为内电阻、漏电阻和负载电阻的函数．进而计算燃料电池的最大输出功率和效率,讨论燃料电池的优化运行,确定负载电阻的匹配条件,从而得到一些有意义的结果．     

Feedback control in a coupled Brownian ratchet

On the basis of the double-well ratchet potential which can be calculated theoretically and implemented experimentally, the influences of the time delay, the coupling constant, and the asymmetric parameter of the potential on the performance of a delayed feedback ratchet consisting of two Brownian particles coupled mutually with a linear elastic force are investigated. The centre-of-mass velocity of two coupled Brownian particles, the average effective diffusion coefficient, and the Pe number are calculated. It is found that the parameters are affected by not only the time delay and coupling constant but also the asymmetric parameter of the double-well ratchet potential. It is also found that the enhancement of the current may be obtained by varying the coupling constant of the system for the weak coupling case. It is expected that the results obtained here may be observed in some physical and biological systems.