《热力学与统计物理》PPT课件.ppt

40学时课堂 希望达到1：2自习 遗憾没有实验 热力学与统计物理 老师 任课：陈培锋 光学与电子信息学院光电工程系 3位研究生助教老师 国内最早的高功率激光器 独创的多头激光毛化技术 (陀螺转子)微小扰动角测量 老师的特点 “光电” “工程” 教材 热学,范宏昌编著,北京:科学出版社 ,2003,普通高等教育“十五”国家级规划教 材 统计热力学,梁希侠,班士良编著,北京: 科学出版社,2008,普通高等教育“十一五” 国家级规划教材 热学与牛顿力学 牛顿力学: 质点和质点组的机械运动 热 学: 微观粒子组成的宏观物体的热运动 热学：研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影 响，以及与物质其他运动形态之间的转化规律。 所谓热运动即组成宏观物体的大量微观粒子的一种 永不停息的无规运动。 按照研究方法的不同，热学可分为两门学科: 热力学和统计物理学。 从不同角度研究热运动，二者相辅相成，彼此联系又 互相补充。 热力学是研究物质热运动的宏观理论。从基本实验 定律出发，通过逻辑推理和数学演绎，找出物质各种 宏观性质的关系，得出宏观过程进行的方向及过程的 性质等方面的结论。具有高度的普适性与可靠性。但 因不涉及物质的微观结构，而将物质视为连续体，故 不能解释物质宏观性质的涨落。 统计物理学是研究物质热运动的微观理论。从物质由 大量微观粒子组成这一基本事实出发，运用统计方法 ，把物质的宏观性质作为大量微观粒子热运动的统计 平均结果，找出宏观量与微观量的关系，进而解释物 质的宏观性质。 在对物质微观模型进行简化假设后，应用统计物理 可求出具体物质的特性；还可应用到比热力学更为广 阔的领域，如解释涨落现象。 热力学和统计物理的相互联系与区别？ 热力学和统计物理是否可以相互取代？ 是否可以通过求解所有大量粒子的运动方 程来精确描述大量粒子组成的系统？ 组成宏观物体的大量微观粒子的一种永不停息的 无规运动。 热学的结构和必需 热力学还记得多少？热力学是一门什么样课？ 如果自由选择，有人选择本课程吗？ 与专业有关吗？与生活有关吗？ 选择本课程的原因？ 不选择本课程的原因？ 难不难？没意思有意思？不好玩好玩？ 人类知识传承的需要 与人类生活结合最紧密的物理 哲学、理论上的意义 熵时间的方向等哲学问题的解释 非线性非平衡态复杂系统的进化 本专业的意义 人类进步的意义 学习热统的难 其实是理论物理普遍的难 学习理论物理的途径 （原作发表于水木清华BBS，作者不详 ） 但凡爱看武侠的人都知道练武功有内功和招式，其实学物理也是大同小异。 物理所对应的内功就是数学。学物理应当从普通物理入手，至于四大力学，虽然 是物理的一个核心，但是我不建议初学物理的人要在四年之内学完它们，因为这 四大力学可以说是高深莫测，而且就算勉强学完了也不会精通。对于物理的学士 而言，我认为精通经典力学和电动力学之一已经是很不容易的事了。如果打算继 续学物理，那么就得学习物理学中最困难的量子力学和统计力学了。这两门（实 际是一门）学问可以说是高深莫测。 问题一、为什么理论物理会比较难学习 理论物理： 理论力学、电动力学、量子力学、热力学和统 计物理 工程物理： 理论力学、材料力学、流体力学、塑性力学 理论物理对于工科专业的学习是必要的吗？ 理论物理学习抽象 上好课！争取学期末改变看法！ 热学教材的选择可以不必考虑应试 讨论的教学方式 教材和需要的基础知识 热学 统计 需要哪些基础知识呢？ 理论力学（或至少牛顿力学） 概率论基础 量子力学 问题二、为什么光电子要学习热学 1、不论光子还是电子系统都是大量粒子系统 2、原子能级、能带的分布规律 3、光子的相位和方向的涨落分布相干性 4、气体分子的频移 5、激光器本身是一个非平衡系统 太阳能电池 固体光源 氨分子微波激射器 包含哪些统计问题？ 最简单的传热问题与本专业的关系 大功率光电半导体器件的散热问题 高功率激光器的散热问题 热敏感光电器件的温度控制 夜视器件的温度控制 激光加工传热学研究 飞秒传热与飞秒加工 极低吸收率的测量 加热型太阳能器件的保温 横流CO2激光器散热 气体激光器放电 管板放电结构 针板放电结构 稳定的均匀放电 奠定了高功率和 实用化的基础 问题三、物理学与人类进步 物理学是研究物质运动最普遍、最基本规律 的科学 17-19世纪，物理学经历了三次大综合，建 立了牛顿力学、热力学和电磁理论 力学+热力学工业革命 电磁理论发电机、电动机、电报、电话 相对论+量子力学航天、微电子、光电子 、生物、信息技术 热学发展的动力 热学起源于人类对冷热现象的探索 中国战国时期提出五行学说，认为金木水火 土是万事万物的根本。古希腊赫拉克利特提 出：火水土气是自然界的四种独立元素。 热力学研究要求是统计物理最初的起源，热 力学研究的动力则是来源于“动力”的追求 英国工业革命历程-纺织工业 1733年钟表匠凯伊发明飞梭，大大提高了织布效率。 1764年-1767年詹姆斯.哈格里夫斯发明珍妮纺纱机。 1768年凯伊又发明了水力纺纱机。 1779年克隆普敦结合两种纺纱机的优点发明了骡机 (mule)，后改良成自动棉纺纱机。 1785年，牧师艾德蒙特.卡特莱特发明了动力织布机， 并且在1791年建造了第一座动力织布机工厂，实现了纺 织行业的机械化生产，纺织的动力依靠水力 1769年詹姆斯.瓦特根据前人的成果，成功发明了单向 蒸汽机 1782年制造出双向蒸汽机。 1800年，英国拥有蒸汽机321台、5210匹马力 1825年猛增到15000台，375000马力。 英国工业革命历程-运输革新 1759年 - 1830年英格兰2200英里的运河。 1807年，美国人富尔敦发明了汽船 1811年英国开始仿制 1765年英国开始使用铁轨 1788年开始架设铁桥 1814年史蒂芬逊发明蒸汽机车 1825年于英国的第一条铁路上试车成功。 1844年，英国铁路已经长达2235英里。 动力的使用极大解放了对人力的依赖 从生产技术方面来说，工业革命使工厂制代 替了手工工场，用机器代替了手工劳动； 从社会关系来说，工业革命使依附于落后生 产方式的自耕农阶级消失了，工业资产阶级 和工业无产阶级形成和壮大起来 国家的强弱不再单纯依赖人力 中国的自耕农阶级？ 热力学与人类的命运 水力、木柴、煤、石油，人类能力的解放需 要能源 能源的大量需求 带来的污染-京都议定书 粮食危机75%与生物能源有关，1吨生物 能源需要消耗600公斤化石能源 英国专家称人类只剩7年控制温室气体排放 水变油 激光约束（惯性约束）核聚变 学习物理理论的重要性-综合分析的能力- 包菜 从地头的2分到零售的1.6元 农民、经销商、零售商都没有赚到钱 利润去了哪里？ 资源的重要性！ 可持续发展 生活方式和价值观 “桑迪”、北方大雪 根据最近1000年南极冰中的CO2浓度测定记录,以及在夏 威夷的莫纳罗亚山观测所测定的1958年后的CO2浓度 解决问题的途径 新能源？ 效率提高？ 热机效率提高的途径创新与热力学 政策的作用-鼓励创新 年轻一代的责任与风险 太阳能、节能光源、约束聚变等 需要我们对热、能的新认识和发展 低碳生活 体会人类对“动力”的需求 体会“动力”的一去不回 体会提高“效率”的难 体会节省“能源”的困难 体会新能源的重要 激光核聚变 利用高功率激光束作用于由氘、氚 或氘-氚制成的靶丸，使氘、氚核发生 聚合，同时释放出巨额核能量的技术。 因为整个聚变过程是在极短时间内完成，氘氚因为整个聚变过程是在极短时间内完成，氘氚 燃料丸来不及膨胀，因此又称燃料丸来不及膨胀，因此又称惯性约束聚变惯性约束聚变。 在宇宙中，核聚变是产生能量的主要 机制。两个氘核聚合成氦原子，释放 3.2MeV的能量，一个氘核和一个氚核聚合 成氦原子核，释放出17.6MeV的能量。用 核能量做燃料燃烧值非常高，1kg核燃料产 生的热量相当于2107kg煤产生的热量。 海水中蕴藏着大量的氘、氚，数量约为20 万吨，所以核聚变技术能为人类提供几乎 是用之不尽的能源。 n n 1 1亿度左右的高温亿度左右的高温 n n 参与反应的粒子密度要足够高并能维持一定的参与反应的粒子密度要足够高并能维持一定的 反应时间，即反应时间，即nn值要达到值要达到101014 14 （秒（秒/ /厘米厘米 3 3 ） n n 激光聚变（激光聚变（ICFICF）：）： 反应时间反应时间t-10t-10-9 -9秒，密度 秒，密度 nn101023 23/ /厘米 厘米 3 3 激光核聚变反应的条件 惯性约束聚变的四个过程惯性约束聚变的四个过程 ( (1)1)加热加热: :激光（或离子束，激光（或离子束，X X光辐射）光辐射） 照射靶丸快速加热表面照射靶丸快速加热表面. . (2)(2)压缩压缩: :靶丸表面物质向外喷射，形成靶丸表面物质向外喷射，形成 的反冲压力将靶丸向心压缩，的反冲压力将靶丸向心压缩， 压力达到压力达到1010 8 8 大气压，推力约为大气压，推力约为 航天飞机的航天飞机的100100倍倍. . (3)(3)点火点火: :靶心燃料被压缩到靶心燃料被压缩到2020倍铅密倍铅密 度，并在度，并在1010 8 8 度高温下点火度高温下点火. . (4)(4)燃烧燃烧: :发生热核爆炸并迅速扩展到整发生热核爆炸并迅速扩展到整 个燃料，从而释放核能，并大个燃料，从而释放核能，并大 于输入能量若干倍于输入能量若干倍. . 神光神光-I -I 装置的两路激光系统装置的两路激光系统 ( built in 1986 2beam /f200mm, 1.6KJ/1w/1ns ) “神光” 装 置 的 八 路 激 光 系 统 ( 2000 8 beams/f200mm, 6KJ/1w 2.5KJ/3w/1ns ) 神光神光- - 激光装置靶室光路激光装置靶室光路 美国“国家点火装置” （NIF） (192束,1.8兆焦,351nm,ns,500太瓦,聚焦到2毫米氢气球,2亿度) 1. 模拟核爆，保证美国在无需核试的情况下 保持核威慑力。“干净氢弹” 属于第4代核武器 ，不受全面禁止核试验条约的限制，可 作为“常规武器”使用。 2. 模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星 内核的环境。 3.借助NIF制造类似太阳内部的可控氢核聚变 反应，最终用来生产可持续的清洁能源。 1999年化石资源 年消费量为60亿吨，平均每人消费1吨。 日本人均消费量2.4吨，英国2.5吨，德国 2.6吨，美国5.3吨。 CO2的75%是由发达国家产生，人口占 75%的发展中国家产生25%。 京都议定书 年月， 联合国气候变化 框架公约第次 缔约方大会在日本 京都召开。 个国家和地区的代 表通过了旨在限制 发达国家温室气体 排放量以抑制全球 变暖的京都议定 书 京都议定书减排规定 到年，所有发达国家二氧化碳等 种温室气体的排放量，要比年减少 。具体说，各发达国家从 年到年必须完成的削减目标是：与 年相比，欧盟削减、美国削减 、日本削减、加拿大削减、东 欧各国削减至。新西兰、俄罗斯和 乌克兰可将排放量稳定在年水平上 。议定书同时允许爱尔兰、澳大利亚和挪威 的排放量比1990年分别增加、 和。 中国于年月签署并于年月核 准 欧盟及其成员国于年月日正式批准 2004年11月5日，俄罗斯总统普京签字 截至年月日，全球已有个国 家和地区签署该议定书，其中包括个工业化国 家，批准国家的人口数量占全世界总人口的 年月，澳大利亚签署 至此世界主要工业发达国家中只有美国没有签署 京都议定书 美国 美国人口仅占全球