热力学的热点问题.ppt

热力学热点问题 关于热力学的时间箭头关于临界现象与临界理论火用分析思想及火用分析方法论 热力学的时间箭头 霍金 StephenW Hawking 的时间箭头 1 脍炙人口的名著 时间简史 2 心理学时间箭头 3 宇宙学的时间箭头 宇宙膨胀的方向 最本质的是热力学的时间箭头 热力学的时间箭头 传统文化对时间的看法 1 玛雅人相信时间260年循环一次 2 佛教相信转世轮回 前生来世 3 中国人相信 20年后又是一条好汉 4 古希腊宇宙学派 如亚里士多德 尼梅修斯等 也相信时间的循环模式 热力学的时间箭头 传统文化对时间的看法 君不见黄河之水天上来 东流到海不复回 君不见高堂明镜悲白发 朝如青丝暮成雪 李白 无可奈何花落去 似曾相识燕归来 晏殊 热力学的时间箭头 现代科学对时间的看法 1 牛顿力学时间是绝对的和唯一的 所有好的钟在测量两个事件的时间间隔上都是一致的 均匀地流逝 牛顿第二定律中给时间留出了一个二阶导数的位置 时间对于过去和未来是对称的 绝对的 真实的 数学的时间 由于它自身的本性 与任何外界事物无关地 均匀地流逝 自然哲学的数学原理 给我任意一个时刻宇宙中所有物体的状态 就可以使用牛顿力学推知过去和未来 2 相对论每个观察者携带的钟记录他自己的时间测量 实质上仍时间对称 超光速与回到过去 物理定律没有时间性 爱因斯坦 对我们这些坚信物理学的人来说 过去 现在 未来之间的区别 尽管老缠着我们 不过是一个幻觉而已 1955年3月21日 致贝索家人 热力学的时间箭头 3 量子力学 能量态与其持续时间不能同时测准 4 热力学的时间观熵增原理 热力学中孤立系统的熵永不减小 宇宙热寂说 从物理学的角度预言了世界的末日 能量品质的降低是不可抗拒的规律 世界本质上的不可逆性 熵增大的方向就是时间箭头的方向 熵即时间之箭 Arrowoftime 爱丁顿勋爵 ArthurEddington 热力学的时间箭头 热力学的时间箭头 4 热力学的时间观1872年 玻耳兹曼 LudwigBoltzmann 1844 1906 在解决非平衡过程输运过程规律 确定非平衡态的分布函数时引入了著名的H函数 证明了当非平衡态的分布函数变化时 H是随着时间单调减小的 1877年 他又提出了著名的熵和热力学几率之间关系的公式 微观可逆性中找到了宏观不可逆性 临界现象与临界理论 纯净物的热力面 临界现象与临界理论 凝固时收缩的物质的相图 临界现象与临界理论 流体的T v图与临界相变 界面 气液临界现象 临界现象 界面 临界现象 临界现象 界面 临界现象 临界现象 临界现象 临界现象 临界现象 临界现象 临界现象 临界状态是流体的一个特殊状态 临界点是相图 p T图 上气液相变线的终点 对应于气液共存的最高温度和压力状态 临界点处的相变属于热力学势函数及其一阶导数连续而二阶导数不连续的二阶相变 特殊性质 临界现象 临界乳光 定温压缩系数的发散使重力场足以在很小的容器中形成很大的密度梯度 由于光的折射率与流体的密度有关 因此在临界状态 密度涨落造成了光的散射 从而形成临界乳光现象 原本清澈透明的气液界面在极接近临界温度时变得不透明 既而产生向前散射的白光 临界慢化 比热发散而导热系数和密度为有限值 使得热扩散系数趋于零 将导致所谓的 临界慢化 即离临界点越近 趋向平衡的时间越长 临界参数测量具有相当难度 临界现象 热扩散系数 相变的相似性和类比 相变是有序和无序两种倾向矛盾斗争的结果 相互作用是有序的起因 热运动是无序的来源 在缓慢降温过程中 每当一种相互作用的能量足以和热运动能量相比时 物质的宏观状态就有可能发生突变 物质内部存在多种多样的相互作用 越是走向低温 更为精细的相互作用就得以表现出来 尽管相变的表现可以多种多样 但在同一个热力学面上的各种相变现象还是有很多相似性 多种多样的相变 铁磁相变 以单轴各向异性的铁磁体为例 其具有一个容易磁化的晶轴 磁距取向只能平行或反平行于晶轴 大家知道磁铁可以吸铁 但当温度高于某个临界温度 居里点时 磁铁的磁性会消失 如果从高温开始降温 在居里点处磁性突然出现 但磁距的取向是由偶然因素决定的 也就是说 对于一根长条磁铁 当温度降低出现磁性时 究竟哪端是N极是不确定的 多种多样的相变 合金的有序 无序相变 20世纪以来 科学家使用X 射线衍射研究晶体结构 发现不仅元素 而且化合物和合金都具有严格的周期结构 对于合金 当温度升高到某个临界温度 如对于含铜和锌均为50 的黄铜是742K 时 合金的有序性完全消失 超流相变 对于4He在2 17K左右又发生了一次相变 低温相的He完全失去了粘性 可以毫无阻尼地通过毛细管 在悬挂的容器中会自动爬出来 超导相变 金属低于某一特定温度时 会完全失去电阻 相变的类比 相变的相似性 铁磁相变气液临界点 描述临界现象的基本物理量 约化温度 量度温度与临界温度的对比差 它表示趋近临界温度的程度对称破缺与序参量 相变现象也伴随着有序程度的改变和对称的破缺铁磁相变 对于各向同性的铁磁体 在高温顺磁相 微观磁距为零 一切方向是等价的 具有很高的对称性 临界现象的描述 描述临界现象的基本物理量 当温度低于居里点时 在低温铁磁相 微观磁距的平均值不再是零 这就是自发磁化强度M 它选出了特定的空间方向 因此破坏了各向同性 同时这个非零的自发磁化强度M标志着新的磁有序 它的大小表示有序的程度 所以又称为 序参量 二阶相变 连续相变 指T Tc时序参量连续由零变到非零的相变 临界现象的描述 描述临界现象的基本物理量 气液临界点 在临界点上 由于温度较高气液不分 可以认为气液是对称的 到临界点以下 出现了气液两相的结构 破坏了这种对称性