热力学与统计物理幻灯片.ppt

热力学与统计物理第1页，共45页，编辑于2022年，星期日老师任课：陈培锋光学与电子信息学院光电工程系133071329263位研究生助教老师第2页，共45页，编辑于2022年，星期日国内最早的高功率激光器第3页，共45页，编辑于2022年，星期日独创的多头激光毛化技术第4页，共45页，编辑于2022年，星期日(陀螺转子)微小扰动角测量第5页，共45页，编辑于2022年，星期日老师的特点“光电”“工程”第6页，共45页，编辑于2022年，星期日教材热学,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”国家级规划教材第7页，共45页，编辑于2022年，星期日热学与牛顿力学热学与牛顿力学牛顿力学牛顿力学:质点和质点组的机械运动质点和质点组的机械运动热热 学学:微观粒子组成的宏观物体的热运动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，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。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所谓热运动即组成宏观物体的大量微观粒子大量微观粒子的一种永的一种永不停息的不停息的无规无规运动。运动。按照研究方法的不同，热学可分为两门学科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。充。第8页，共45页，编辑于2022年，星期日 热力学是研究物质热运动的宏观理论。从基本实验定律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。的涨落。统统计计物物理理学学是是研研究究物物质质热热运运动动的的微微观观理理论论。从从物物质质由由大大量量微微观观粒粒子子组组成成这这一一基基本本事事实实出出发发，运运用用统统计计方方法法，把把物物质质的的宏宏观观性性质质作作为为大大量量微微观观粒粒子子热热运运动动的的统统计计平平均均结结果果，找找出出宏观量与微观量的关系，进而解释物质的宏观性质。宏观量与微观量的关系，进而解释物质的宏观性质。在在对对物物质质微微观观模模型型进进行行简简化化假假设设后后，应应用用统统计计物物理理可可求求出出具具体体物物质质的的特特性性；还还可可应应用用到到比比热热力力学学更更为为广广阔阔的的领领域域，如如解解释涨落现象。释涨落现象。第9页，共45页，编辑于2022年，星期日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？组成宏观物体的组成宏观物体的大量微观粒子大量微观粒子的一种永不停息的的一种永不停息的无规无规运动。运动。热学的结构和必需第10页，共45页，编辑于2022年，星期日热力学还记得多少？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？第11页，共45页，编辑于2022年，星期日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第12页，共45页，编辑于2022年，星期日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。第13页，共45页，编辑于2022年，星期日问题一、为什么理论物理会比较难学习理论物理：理论物理：理论力学、电动力学、量子力学、热力学和统理论力学、电动力学、量子力学、热力学和统计物理计物理工程物理：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 第14页，共45页，编辑于2022年，星期日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第15页，共45页，编辑于2022年，星期日问题二、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第16页，共45页，编辑于2022年，星期日氨分子微波激射器包含哪些统计问题？第17页，共45页，编辑于2022年，星期日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第18页，共45页，编辑于2022年，星期日横流CO2激光器散热第19页，共45页，编辑于2022年，星期日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第20页，共45页，编辑于2022年，星期日问题三、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、信息技术第21页，共45页，编辑于2022年，星期日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”的追求第22页，共45页，编辑于2022年，星期日英国工业革命历程-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。第23页，共45页，编辑于2022年，星期日英国工业革命历程-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。第24页，共45页，编辑于2022年，星期日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？第25页，共45页，编辑于2022年，星期日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-第26页，共45页，编辑于2022年，星期日包菜从地头的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”、北方大雪第27页，共45页，编辑于2022年，星期日根据最近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浓度第28页，共45页，编辑于2022年，星期日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、能的新认识和发展第29页，共45页，编辑于2022年，星期日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第30页，共45页，编辑于2022年，星期日激光核聚变 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，因此又称丸来不及膨胀，因此又称惯性约束聚变惯性约束聚变。第31页，共45页，编辑于2022年，星期日 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。第32页，共45页，编辑于2022年，星期日 1 1 1 1亿度左右的高温亿度左右的高温亿度左右的高温亿度左右的高温 参参参参与与与与反反反反应应应应的的的的粒粒粒粒子子子子密密密密度度度度要要要要足足足足够够够够高高高高并并并并能能能能维维维维持持持持一一一一定定定定的的的的反反反反应时间，即应时间，即应时间，即应时间，即 nnnn 值要达到值要达到值要达到值要达到1010101014141414 （秒（秒（秒（秒/厘米厘米厘米厘米3 3 3 3）激光聚变（激光聚变（激光聚变（激光聚变（ICFICFICFICF）：）：）：）：反应时间反应时间反应时间反应时间t-10t-10t-10t-10-9-9-9-9秒，密度秒，密度秒，密度秒，密度 n n1010101023232323/厘米厘米厘米厘米3 3 3 3 激光核聚变激光核聚变反应的条件反应的条件 第33页，共45页，编辑于2022年，星期日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10108 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10108 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.第34页，共45页，编辑于2022年，星期日神光神光-I-I 装置的两路激光系统装置的两路激光系统 (built in 1986 2beam/f f200mm,1.6KJ/1w/w/1ns )第35页，共45页，编辑于2022年，星期日 “神光”装 置 的 八 路 激 光 系 统(2000 8 beams/f f200mm,6KJ/1w w 2.5KJ/3w/1w/1ns )第36页，共45页，编辑于2022年，星期日神光神光-激光装置靶室光路激光装置靶室光路 第37页，共45页，编辑于2022年，星期日美国美国“国家点火装置国家点火装置”（NIF）(192束束,1.8兆焦兆焦,351nm,ns,500太瓦太瓦,聚焦到聚焦到2毫米氢气球毫米氢气球,2亿度亿度)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。第38页，共45页，编辑于2022年，星期日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%。第39页，共45页，编辑于2022年，星期日京都议定书京都议定书年月，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 第40页，共45页，编辑于2022年，星期日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。第41页，共45页，编辑于2022年，星期日第42页，共45页，编辑于2022年，星期日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 第43页，共45页，编辑于2022年，星期日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放量的25以上，为全球温室气体排放量最大的国家美国人口在增长，经济、生活方式都是粗放的，消耗了世界1/4能量的美国采取的是廉价能源的国家政策,促使汽车的利用和激活生产美国曾于1998年签署了京都议定书但2001年3月，布什政府以“减少温室气体排放将会影响美国经济发展”和“发展中国家也应该承担减排和限排温室气体的义务”为借口，宣布拒绝批准京都议定书。第44页，共45页，编辑于2022年，星期日日本、欧洲人口负增长低能耗、高产出、高效益的先进技术最成熟 澳大利亚比1990年增长43%第45页，共45页，编辑于2022年，星期日