热力学与统计物理.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pfchen0413 133071329263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 氘氚燃料丸来不及膨胀 因此又称惯性约束聚变 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2 107kg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 1亿度左右的高温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 n 值要达到1014 秒 厘米3 激光聚变 ICF 反应时间t 10 9秒 密度n 1023 厘米3 激光核聚变反应的条件 惯性约束聚变的四个过程 1 加热 激光 或离子束 X光辐射 照射靶丸快速加热表面 2 压缩 靶丸表面物质向外喷射 形成的反冲压力将靶丸向心压缩 压力达到108大气压 推力约为航天飞机的100倍 3 点火 靶心燃料被压缩到20倍铅密度 并在108度高温下点火 4 燃烧 发生热核爆炸并迅速扩展到整个燃料 从而释放核能 并大于输入能量若干倍 神光 I装置的两路激光系统 builtin19862beam f200mm 1 6KJ 1w 1ns 神光 装置的八路激光系统 20008beams f200mm 6KJ 1w 2 5KJ 3w 1ns 神光 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 美国人口仅占全球人口的3 强 而排放的二氧化碳却占全球排