通識(shí)教育中心-九十五學(xué)年度第二學(xué)期-科普經(jīng)典導(dǎo)讀-GENS-352-課件

通識(shí)教育中心九十五學(xué)年度第二學(xué)期

科普經(jīng)典導(dǎo)讀

GENS-352-01-A1

漫遊物理世界

APhysicsOdysseyintheNewCentury授課教師 金升光上課時(shí)間週二下午13:10~15:00熱力學(xué),氣體動(dòng)力論,統(tǒng)計(jì)力學(xué)熱力學(xué)定律氣體動(dòng)力論:波茲曼定律,分子速率分布傳導(dǎo),擴(kuò)散與黏滯性統(tǒng)計(jì)力學(xué)相變與臨界現(xiàn)象熱力學(xué)熱力學(xué)是從巨觀(macroscopic)的觀念研究物理系統(tǒng)的巨觀性質(zhì),例如溫度,密度,壓力等.由巨觀性質(zhì)的觀察和度量結(jié)果的分析,歸納成經(jīng)驗(yàn)性的定律(熱力學(xué)定律).歷史上,熱力學(xué)是在人們瞭解物質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造以前所發(fā)展成功的.熱力學(xué)的原理有極普遍的一般性,不僅不依賴任何特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的假設(shè),且根本無(wú)需依據(jù)物質(zhì)的原子性質(zhì).亞佛加厥常數(shù)

(Avogadro’snumber)6.02×1023熱力學(xué)平衡平衡態(tài):系統(tǒng)狀態(tài)不隨時(shí)間改變並非靜止態(tài).只是正反過(guò)程的速率相等.態(tài)變數(shù)(statevariable):一個(gè)熱力學(xué)平衡的系統(tǒng)有若干巨觀的性質(zhì)不隨時(shí)間改變.例如溫度,壓力,體積等等.熱力學(xué)第零定律:在某溫度時(shí)一個(gè)系統(tǒng)如果已經(jīng)達(dá)到熱平衡,則此系統(tǒng)與同溫度下任何東西亦必?zé)崞胶?熱力學(xué)第一定律

(能量守恆)(系統(tǒng)內(nèi)能的變化)=(外加的熱能)-(系統(tǒng)對(duì)外做的功)熱力學(xué)第二定律不可能在某一定溫度下將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ灰鹪撓到y(tǒng)及其環(huán)境的任何其他改變.熱流自動(dòng)由高溫系統(tǒng)流向低溫系統(tǒng).系統(tǒng)及其環(huán)境熵的改變永遠(yuǎn)大於或等於零.熵(entropy)的變化熱能變化溫度理想氣體與絕對(duì)溫標(biāo)溫度體積0

℃-273.16

℃≡0K理想氣體的Carnot循環(huán)

(可逆過(guò)程)PV壓力體積(等溫過(guò)程)(絕熱過(guò)程)可逆機(jī)(reversibleengines)沒(méi)有任何熱機(jī)能夠比可逆機(jī)做更多的功.如果一個(gè)機(jī)器是可逆的,無(wú)論這個(gè)機(jī)器是如何設(shè)計(jì)的,並沒(méi)有什麼區(qū)別.利用理想氣體公式PV=nRT及理想氣體絕熱膨脹公式PV=常數(shù)熱力學(xué)第三定律當(dāng)溫度趨近於零時(shí),在一個(gè)可逆過(guò)程中熵的改變也趨近於零.不可能透過(guò)可逆的過(guò)程在有限的步驟內(nèi)達(dá)到絕對(duì)零度.任何物體在絕對(duì)零度的熵為零.非理想氣體模型

Vander

Waals

狀態(tài)方程式第一個(gè)可同時(shí)用在氣相與液相的狀態(tài)方程式a(Pa*m/mol2)b(m3/mol)H20.024760.02661He0.0034560.02370CO20.36390.04267H2O0.55350.03049O20.13780.03183N20.14080.03913非理想氣體模型

Vander

Waals

狀態(tài)方程式(續(xù))VPABCDEFGHIT<TcVP體積體積壓力壓力臨界溫度Freeenergy有極小值(不穩(wěn)定)(不穩(wěn)定)一階相變與二階相變VT二階相變VTSTST一階相變熵熵S0S=0(有潛熱變化)體積體積溫度溫度溫度溫度原子尺度下看相變

掃描穿隧電子顯微鏡影像(STMmovie)Astheleadatomsinthis20x13nanometerregionarewarmedfrom40to136Kelvin,theyswitchfromthecorrugatedtotheflatarrangementatthetransitiontemperatureof86Kelvin.(Thevideohasbeendigitallyenhanced.)IntrinsicCharacterofthe(3x3)to(sqrt[3]xsqrt[3])PhaseTransitioninPb/Si(111)

I.Brihuega,O.Custance,RubénPerézandJ.M.Gómez-Rodríguez

Phys.Rev.Lett.94,046101(issueof4February2005)/story/v15/st6水的相變與突沸水的相圖PT壓力溫度三相點(diǎn)臨界點(diǎn)液體固體氣體水的相圖(續(xù))壓力溫度大氣壓氣體動(dòng)力論波茲曼(Boltzmann)定律問(wèn)題:

就整個(gè)物系A(chǔ)*而言,A*的能量恆為常數(shù)E*.在任一時(shí)刻,A*的子物系(sub-system)Ar的能量為Er

(即能量在Er與Er+dEr之間)的機(jī)率Pr為何?子物系之間的能量分配傾向於使兩者之間的溫度相等.機(jī)率溫度波茲曼常數(shù)馬克士威爾速度分布穩(wěn)定態(tài)(溫度T)時(shí)的分子速度分布:每單位體積內(nèi)速度在v與v+dv

之間的平均分子數(shù)分子速率分布:

遷移現(xiàn)象

(Transportphenomena)物系本身處?kù)兑环N穩(wěn)定的部分平衡狀態(tài)所謂穩(wěn)定態(tài)是指物系各部分的狀態(tài)不因時(shí)而變.穩(wěn)定態(tài)並不一定是平衡狀態(tài).每一個(gè)子物系都滿足波茲曼定律即假設(shè)每個(gè)子物系都滿足古典統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本假設(shè)例一:熱傳導(dǎo)

(能量的遷移)+y方向T2T1<T2A熱流方向面積單位時(shí)間熱流量分子平均速率粒子熱動(dòng)能自由度波茲曼常數(shù)粒子的有效散射截面物質(zhì)的導(dǎo)熱係數(shù)溫度例二:擴(kuò)散現(xiàn)象

(粒子本身的遷移)擴(kuò)散係數(shù)+y方向單位時(shí)間通過(guò)單位面積的粒子數(shù)(即粒子流量)擴(kuò)散方向n2n1<n2粒子密度分子平均速率粒子的有效散射截面例三:流體的粘滯力

(動(dòng)量的遷移)+y方向A+z方向u運(yùn)動(dòng)速度單位面積的粘滯力物質(zhì)的粘滯係數(shù)分子平均速率粒子的有效散射截面統(tǒng)計(jì)力學(xué)基本概念自由度相空間基本假設(shè)遍歷性(Ergodic)系綜(Ensemble)從一個(gè)粒子到N個(gè)粒子mgmxyy=0h方程式邊界條件積分常數(shù)解虎克定律與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)或是方程式的解:常數(shù)或是等速率圓周運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)harmonicoscillation簡(jiǎn)諧振盪的相空間表示xp熵的微觀解釋S=klogBoltzmann常數(shù)熵(巨觀世界的物理量)k=1.3810-23

J/K(某特定系統(tǒng)微觀狀態(tài)的總數(shù))遍歷性(Ergodic)假定所有微觀狀態(tài)的發(fā)生機(jī)率都相同一系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的平均特性由系綜在某一時(shí)間的平均來(lái)計(jì)算計(jì)算配分函數(shù)(partitionfunction)->基本方程式(fundamentalequation)->狀態(tài)方程式(equationofstate)Ising模型,相變與臨界現(xiàn)象

二維平面上的Ising模型Maxwell’sDemon

adeeplookintothesecondlawThedreamofaperpetualmachine…Maxwell’