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1、热学起源第1页，共51页，编辑于2022年，星期日“竹外桃花三两枝，春江水暖鸭先知。竹外桃花三两枝，春江水暖鸭先知。”苏东坡苏东坡人对于冷暖的概念大都来自于感官信息,事实上，对物质冷热程度进行度量，需要有明确的物理量，它就是温度。请同学们想象一下，温度很低和很高时，我们生活的世界会变化吗？奇妙的低温世界奇妙的低温世界从广义上讲，凡是低于环境温度的都称为低温，获得低温的方式有很多，但总体上可分为物理和化学两种。科学家花费大量的心血，探索低温的奥妙，让低温造福人类。冷与热是人类最早形成的概念，冷热在人类生活中及其重要，人类也驾驭了取冷制热的方法。宇宙的最低温度是3k，地球上最低的温度是在南极（-8
2、8.3C）第2页，共51页，编辑于2022年，星期日随着温度的一步步降低，许多奇妙的量子现象就会呈现：1.空气在-190C液化为淡青色液体，鸡蛋放进去以后会产生浅蓝色荧光，同时易碎的鸡蛋变得像皮球一样富有弹性。美丽的鲜花放进去会变成玻璃态，会闪光，敲击时会发出清脆的声音。漂亮的金鱼放进去会变成“水晶状”的工艺品，出来后放入水中，会“死而复生”。2.低温时，一些金属变得异常脆弱，轻轻一碰就变成粉末。这就是金属的冷脆现象。怕冷的金属有锡，铝、镁、钢铁等不怕冷的金属有铜，合金3.低温时，液体出现超流，电流出现超导http:/ 从低温到高温的物理世界是非常丰富多彩的：从低温到高温的物理世界是非常丰富多
3、彩的：2.7K也即约也即约-270C是我们宇宙现在的平均温度，是宇宙大爆炸后残是我们宇宙现在的平均温度，是宇宙大爆炸后残留的微波背景辐射温度；留的微波背景辐射温度；-240C是冥王星和海王星的温度，因为它们离太阳很远，接收到得热量是冥王星和海王星的温度，因为它们离太阳很远，接收到得热量也就很少；也就很少；-170C，是生命存活的极限，只有大肠杆菌之类的才能存活。当然有一种更，是生命存活的极限，只有大肠杆菌之类的才能存活。当然有一种更为牛的水熊虫，居然能在太空中（为牛的水熊虫，居然能在太空中（-270C）冻几个小时还能存活！）冻几个小时还能存活！-130C是地球上出现的最低气温，在南极的最高峰是
4、地球上出现的最低气温，在南极的最高峰文生峰顶；文生峰顶；-50C是中国境内出现的最低气温，在黑龙江漠河；是中国境内出现的最低气温，在黑龙江漠河；-10C是人类能够长期正常生活的温度；是人类能够长期正常生活的温度；0C是水的冰点（固液线）；是水的冰点（固液线）；30C是蚊子最适宜的温度，温度太高了它会热死，太低了会停止繁殖，所以是蚊子最适宜的温度，温度太高了它会热死，太低了会停止繁殖，所以杀死蚊子的办法要么是热死它，要么就冻死它吧！杀死蚊子的办法要么是热死它，要么就冻死它吧！40C是人类体温的极限，如果连续几天高烧是人类体温的极限，如果连续几天高烧40C以上，那基本上就要挂以上，那基本上就要挂了
5、；了；第8页，共51页，编辑于2022年，星期日90C海底火山微生物生活的环境温度，它们能在几乎是沸水中活海底火山微生物生活的环境温度，它们能在几乎是沸水中活着，真了不起！着，真了不起！800C是火山熔岩的温度，地球内部是一个炙热的地方！是火山熔岩的温度，地球内部是一个炙热的地方！6000C是太阳表面的温度，太阳是一个巨大的核聚变反应球，温度是太阳表面的温度，太阳是一个巨大的核聚变反应球，温度高是必然的；高是必然的；8000C是牛郎星的温度，太阳热也比不过牛郎的心热啊，而织女星要是牛郎星的温度，太阳热也比不过牛郎的心热啊，而织女星要在在10000C左右，真是一对左右，真是一对“热恋热恋”的情人
6、！的情人！十万摄氏度是星云的温度，超新星爆发时候会抛出大量星云物质，十万摄氏度是星云的温度，超新星爆发时候会抛出大量星云物质，死也死的壮烈！死也死的壮烈！一千万摄氏度是中子星表面，这是密度最大的星球，一个芝麻粒大一千万摄氏度是中子星表面，这是密度最大的星球，一个芝麻粒大小估计就得万吨货轮才运的动！小估计就得万吨货轮才运的动！一亿摄氏度，这是人类创造的最高温记录，在普林斯顿大学的核聚变反应一亿摄氏度，这是人类创造的最高温记录，在普林斯顿大学的核聚变反应堆中实现的。堆中实现的。十亿摄氏度以上，这么高温度目前只有一种时期可以实现十亿摄氏度以上，这么高温度目前只有一种时期可以实现宇宇宙大爆炸的时候，大
7、爆炸之后宙大爆炸的时候，大爆炸之后3秒左右时间降到了这个温度，至于大爆炸附秒左右时间降到了这个温度，至于大爆炸附近的温度，那简直是要多高有多高近的温度，那简直是要多高有多高第9页，共51页，编辑于2022年，星期日开发利用能源的历史柴薪时期:可再生能源煤炭时期:18世纪蒸气机的发明,使用它发电.石油天然气时期:内燃机发明,利用石油发电可持续能源:再生能源和新能源第10页，共51页，编辑于2022年，星期日化石燃料：煤 100 200年 石油、天然气 最多半个世纪再从对大气污染以及煤、石油又是宝贵化工原料看,必须发展新能源：太阳能、风能、水力、海洋能、核能、氢能、地热能等第11页，共51页，编辑
8、于2022年，星期日自然科学与应用技术存在着相互促进的关系自然科学与应用技术存在着相互促进的关系自然科学揭示科学规律，促进技术发展自然科学揭示科学规律，促进技术发展如：电磁学，实验室建立起基本规律，然后诞生电机如：电磁学，实验室建立起基本规律，然后诞生电机工程和无线电技术工程和无线电技术技术先行，然后推动自然科学发展，再反馈到技术，技术先行，然后推动自然科学发展，再反馈到技术，促进技术登上新的台阶促进技术登上新的台阶如，热机技术与热力学之间的关系如，热机技术与热力学之间的关系第12页，共51页，编辑于2022年，星期日蒸汽机的历史：2000年前，古埃及，希罗：蒸汽球 气学有所介绍15世纪，达芬
9、奇 蒸汽开动大炮1601 意大利人波塔：提出：蒸汽冷凝来抽水1615 法国人：德高斯：实验证明：蒸汽抽水蒸气机带来的学问第13页，共51页，编辑于2022年，星期日巴本 最先把蒸汽动力技术的设想付诸实施最先把蒸汽动力技术的设想付诸实施的，是法国著名物理学家、工程师巴本的，是法国著名物理学家、工程师巴本(Denis(Denis Papin 1647-1712)Papin 1647-1712)。从从16741674年开始，巴本即致力于蒸汽泵年开始，巴本即致力于蒸汽泵的实验设计。经过一段时间的实验研究与理论探的实验设计。经过一段时间的实验研究与理论探索，他从欧洲当时的炼铁厂广泛使用的那种活塞索，他从
10、欧洲当时的炼铁厂广泛使用的那种活塞式风箱中受到启发，认为有可能把风箱变为汽缸，式风箱中受到启发，认为有可能把风箱变为汽缸，而把风箱中的活塞变为汽缸中的活塞。而把风箱中的活塞变为汽缸中的活塞。第14页，共51页，编辑于2022年，星期日巴本在实验时，他先将汽缸的底部注入少量的水，再把汽缸在实验时，他先将汽缸的底部注入少量的水，再把汽缸放到火上加热。当汽缸内的水沸腾后，蒸汽即推动活塞放到火上加热。当汽缸内的水沸腾后，蒸汽即推动活塞慢慢上升；然后，又把火从汽缸下抽掉，汽缸内的蒸汽慢慢上升；然后，又把火从汽缸下抽掉，汽缸内的蒸汽即慢慢冷凝。由于蒸汽的冷凝，汽缸内产生真空，在大即慢慢冷凝。由于蒸汽的冷凝
11、，汽缸内产生真空，在大气压力的推动之下，活塞又慢慢下降。气压力的推动之下，活塞又慢慢下降。通过这一实验，使巴本认识到，利用蒸汽压力、大气压通过这一实验，使巴本认识到，利用蒸汽压力、大气压力、真空作用的交互作用，完全可以推动汽缸内的活塞力、真空作用的交互作用，完全可以推动汽缸内的活塞及其活塞杆作往返的直线运动。而这种运动所产生的机及其活塞杆作往返的直线运动。而这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械的运动。械动力可以带动其他机械的运动。第15页，共51页，编辑于2022年，星期日巴本在发明带有活塞的蒸汽泵之后，考虑到蒸汽压力大可能会使汽缸爆炸，巴本又在1680年发明了安全阀。这样，第一台可以把热
12、能转变为机械能的实验型的蒸汽泵，就于1680年在英国试验成功了。第16页，共51页，编辑于2022年，星期日赛维利 继巴本之后，在近代蒸汽动继巴本之后，在近代蒸汽动力技术的发展中作出重要贡献的力技术的发展中作出重要贡献的是英国机械工程师赛维利是英国机械工程师赛维利（T.Savery 1650-1715T.Savery 1650-1715）。）。赛维利的蒸汽泵的设计原理赛维利的蒸汽泵的设计原理源于包尔塔的蒸汽力原理。他的源于包尔塔的蒸汽力原理。他的蒸汽泵的主要构件，是汽缸与锅蒸汽泵的主要构件，是汽缸与锅炉。炉。赛维利的汽缸与巴本的汽缸很不赛维利的汽缸与巴本的汽缸很不相同。赛维利的汽缸未采用活塞，
13、只相同。赛维利的汽缸未采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和进汽是在其中接有吸水管、排水管和进汽管。管。第17页，共51页，编辑于2022年，星期日赛维利 当蒸汽从锅炉经过汽管进入汽缸后即使当蒸汽从锅炉经过汽管进入汽缸后即使这部分蒸汽冷却，而冷却后造成的真空就把这部分蒸汽冷却，而冷却后造成的真空就把矿井中的水从吸水管中吸进来，此时再将蒸矿井中的水从吸水管中吸进来，此时再将蒸汽注入汽缸，这部分进入汽缸的蒸汽所产生汽注入汽缸，这部分进入汽缸的蒸汽所产生的压力就把水从排水管中排放出来。后来，的压力就把水从排水管中排放出来。后来，赛维利研究了巴本的蒸汽泵，在他的蒸汽泵赛维利研究了巴本的蒸汽泵，在他的
14、蒸汽泵中也采用了安全阀。中也采用了安全阀。16951695年，赛维利制造出了几台这样的年，赛维利制造出了几台这样的蒸汽泵。这是近代蒸汽动力技术的第二次蒸汽泵。这是近代蒸汽动力技术的第二次突破。突破。第18页，共51页，编辑于2022年，星期日纽科门纽科门 纽科门纽科门(Newcomen(Newcomen，Thomas)Thomas)是英国是英国工程师，蒸汽机发明人之一。他发明的常压工程师，蒸汽机发明人之一。他发明的常压蒸汽机是瓦特蒸汽机的前身。蒸汽机是瓦特蒸汽机的前身。纽科门幼年仅受过初等教育，少年时代纽科门幼年仅受过初等教育，少年时代做过锻工。做过锻工。1717世纪世纪8080年代同卡利合伙
15、经营铁年代同卡利合伙经营铁器，后来共同研制蒸汽机，并于器，后来共同研制蒸汽机，并于17051705年取得年取得“冷凝进入活塞下部的蒸汽和把活塞与连杆冷凝进入活塞下部的蒸汽和把活塞与连杆联接以产生运动联接以产生运动”的专利权。的专利权。此后，纽科门继续改进蒸汽机，于1712年首次制成可供实用的大气式蒸汽机，被称为纽科门蒸汽机。这台蒸汽机的汽缸活塞直径为30.48厘米,每分钟往复12次，功率为5.5马力。但热效率低，燃料消耗量大，仅适用于煤矿等燃料充足的地方。第19页，共51页，编辑于2022年，星期日纽科门纽科门 他同助手一起用了他同助手一起用了10年多的时间试制成一台蒸汽年多的时间试制成一台蒸
16、汽泵。纽科门机器的压强不受限于蒸汽压强，当蒸汽凝泵。纽科门机器的压强不受限于蒸汽压强，当蒸汽凝结，在汽缸里形成真空时，则由大气压强将活塞推下。结，在汽缸里形成真空时，则由大气压强将活塞推下。有记载的第一台纽科门蒸汽机是有记载的第一台纽科门蒸汽机是1712年在斯塔福德郡的达年在斯塔福德郡的达德利堡附近安装的。为了在汽缸里造成真空，纽科门发德利堡附近安装的。为了在汽缸里造成真空，纽科门发明了内凝喷嘴和自动阀动装置。利用相当于大气压的蒸明了内凝喷嘴和自动阀动装置。利用相当于大气压的蒸汽，他保持材料在其工作极限以内。汽，他保持材料在其工作极限以内。纽科门的机器多年用于矿井排水，也用来提水以推动水车。纽
17、科门的机器多年用于矿井排水，也用来提水以推动水车。纽科门蒸汽机被广泛应用了纽科门蒸汽机被广泛应用了60多年，在瓦特完善蒸汽机的多年，在瓦特完善蒸汽机的发明后很长时间还在使用。纽科门蒸汽机是第一个实用的发明后很长时间还在使用。纽科门蒸汽机是第一个实用的蒸汽机。他为后来蒸汽机的发展和完善奠定了基础蒸汽机。他为后来蒸汽机的发展和完善奠定了基础.第20页，共51页，编辑于2022年，星期日瓦特 瓦特(1736-1819)是世界公认的蒸汽机发明家。他的创造精神、超人的才能和不懈的钻研为后人留下了宝贵的精神和物质财富。瓦特改进、发明的蒸汽机是对近代科学和生产的巨大贡献，具有划时代的意义，它导致了第一次工业
18、技术革命的兴起，极大的推进了社会生产力的发展。第21页，共51页，编辑于2022年，星期日瓦特 1764年，学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，并且发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。以后，瓦特开始思考改进的办法。直到1765年的春天，在一次散步时，瓦特想到，既然纽可门蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。瓦特发明的蒸汽机瓦特发明的蒸汽机第22页，共51页，编辑于2022年，星期日瓦特 从1766年开始，在三年多的时间里，瓦特克服了在材料和工
19、艺等各方面的困难，终于在1769年制出了第一台样机。自1769年试制出带有分离冷凝器的蒸汽机样机之后，瓦特就已看出热效率低已不是他的蒸汽机的主要弊病，而活塞只能作往返的直线运动才是它的根本局限。1781年，他研制出了一套被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，终于把活塞的往返的直线运动转变为齿轮的旋转运动。瓦特还在轮轴上加装了一个火飞轮。由于对传统机构的这一重大革新，瓦特的这种蒸汽机才真正成为了能带动一切工作的动力机。1781年底，瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二个专利。第23页，共51页，编辑于2022年，星期日瓦特 年，试制出了一种带有双向装置的新汽缸。由此瓦特获得了他的第三项专
20、利。把原来的单项汽缸装置改装成双向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽，这是瓦特在改进纽可门蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽可门蒸汽机完全演变为了瓦特蒸汽机。1784年，瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第四项专利。1788年，瓦特发明了离心调速器和节气阀；1790年，他又发明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。第24页，共51页，编辑于2022年，星期日蒸汽机的应用瓦特的一系列重大的发明和改进，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，而且配套齐全、性能优良、切合实用。瓦特由此博得了第一部
21、现代蒸汽机高效率瓦特蒸汽机的发明者称号。很快，瓦特蒸汽机在纺织、采矿、冶炼和交通运输等方面得到了广泛应用，极大地推动了英国和欧洲的第一次工业革命，使世界进入了所谓的“蒸汽机时代”。瓦特对蒸汽机的发明、改进及蒸汽机的广泛应用，直接推动了热力学理论的研究和发展。第25页，共51页，编辑于2022年，星期日瓦特 1785年，瓦特被当选为英国皇家学会会员。1814年，他被法国科学家学会接纳为外国会员。1790年以后，优厚的专利税使瓦特成为一个很有钱的名人。1819年8月5日，瓦特在希思菲尔德郡的家里去世，遗体埋葬在汉德沃尔斯郊区的教堂里。1832年在格拉斯哥市乔治广场还塑造了一座瓦特铜像。恩格斯在自然
22、辨证法中这样写道：“蒸汽机是第一个真正国际性的发明瓦特给它加上了一个分离的冷凝器，这就使蒸汽机在原则上达到了现在的水平。”瓦特为蒸汽机的推广使用做出了不可磨灭的重要贡献、有力的推动了社会的前进。后人为了纪念这位伟大的发明家，把功率的单位定为“瓦特”。第26页，共51页，编辑于2022年，星期日卡诺预言：蒸汽机极为重要，其用途将不断扩大，而且卡诺预言：蒸汽机极为重要，其用途将不断扩大，而且看来注定要给文明世界带来一场伟大的革命看来注定要给文明世界带来一场伟大的革命德国的巴本，英国的赛维利，纽可门，蒸汽机的发明者德国的巴本，英国的赛维利，纽可门，蒸汽机的发明者瓦特改进了蒸汽机瓦特改进了蒸汽机蒸汽机
23、广泛用于纺织工业，蒸汽机广泛用于纺织工业，18071807用于轮船，用于轮船，18251825用于火车用于火车人类进入工业社会人类进入工业社会蒸汽机效率低下，本身笨重，阻碍了进一步的应用蒸汽机效率低下，本身笨重，阻碍了进一步的应用如何提高效率，促使人们对物质热性质，热现象的规律进如何提高效率，促使人们对物质热性质，热现象的规律进行深入研究，诞生了热力学行深入研究，诞生了热力学第27页，共51页，编辑于2022年，星期日提高蒸汽机效率提高蒸汽机效率锅炉汽水水汽缸汽过热器WQ1Q2热机效率：热机效率：工程师缺少热机理论认识，只能从热机的适用性，安全性和燃料的经济型考虑，盲目采用其它物质来代替蒸汽。
24、第28页，共51页，编辑于2022年，星期日理想模型卡诺热机理想模型卡诺热机18241824年，卡诺年，卡诺关于火的动力及专门产生这关于火的动力及专门产生这种动力的机器的见解种动力的机器的见解指出：单独提供热不指出：单独提供热不足以给出推动力，必须还要有冷，没有冷，足以给出推动力，必须还要有冷，没有冷，热将是无用的。热将是无用的。卡诺利用循卡诺利用循环过程来研环过程来研究有关问题，究有关问题，创造了研究创造了研究热力学的一热力学的一种方法。种方法。高高温温T1低低温温T2Q2Q1A可逆可逆Q1、Q2取绝对值取绝对值第29页，共51页，编辑于2022年，星期日低温热库低温热库T2|Q2|A工质工
25、质Q1高温热库高温热库T1热机循环示意图热机循环示意图 p0Q12134A|Q2|T1T2V绝热线绝热线等温线等温线V1 V4 V2 V3卡诺热机效率：卡诺热机效率：卡诺为热机的改进提供了必要的理论基础卡诺为热机的改进提供了必要的理论基础第30页，共51页，编辑于2022年，星期日热力学第一定律能量守恒热力学第一定律能量守恒人们试图制造永动机，不需要任何动力和燃料，却能不断对外做人们试图制造永动机，不需要任何动力和燃料，却能不断对外做功功永动机是幻想，永动机是幻想，17751775年，法国科学院宣布不再接受审查关于永动机的发年，法国科学院宣布不再接受审查关于永动机的发明明永动机不可能实现的确认
26、和各种物理现象之间的普遍联系的发现，永动机不可能实现的确认和各种物理现象之间的普遍联系的发现，导致了能量守恒定律的最后确立导致了能量守恒定律的最后确立迈耶、焦耳、亥姆赫兹的贡献迈耶、焦耳、亥姆赫兹的贡献第31页，共51页，编辑于2022年，星期日一、内能一、内能实验表明，通过做功和传热，使系统由某一确定平衡态实验表明，通过做功和传热，使系统由某一确定平衡态1变到另一确定平衡态变到另一确定平衡态2时，无论经历怎样的过程，每一时，无论经历怎样的过程，每一过程中外界向系统做功和传递热量的总和总是相同的，过程中外界向系统做功和传递热量的总和总是相同的，与其间经历的过程无关与其间经历的过程无关.说明：说
27、明：任一系统处于平衡态时都存在一个仅由系统状态决定任一系统处于平衡态时都存在一个仅由系统状态决定的的态函数态函数，系统由一个平衡态变到另一平衡态，该态函数，系统由一个平衡态变到另一平衡态，该态函数的改变量可用两平衡态间任一过程中外界向系统做的功和传的改变量可用两平衡态间任一过程中外界向系统做的功和传递的热量的总和来度量递的热量的总和来度量.该态函数属于能量的范畴，称为系统的该态函数属于能量的范畴，称为系统的内能内能，用热力学语言来表述能量守恒定律用热力学语言来表述能量守恒定律第32页，共51页，编辑于2022年，星期日二、热力学第一定律二、热力学第一定律上面根据实验结果得到的内能定义式即为热力
28、学第一定律的上面根据实验结果得到的内能定义式即为热力学第一定律的表达式表达式.第33页，共51页，编辑于2022年，星期日从微观角度来看，系统的内能指什么？从微观角度来看，系统的内能指什么？第34页，共51页，编辑于2022年，星期日热力学第一定律的出现使科学史上诸多美妙的幻想成为热力学第一定律的出现使科学史上诸多美妙的幻想成为泡沫，但它并不反对另外一种美妙的幻想。泡沫，但它并不反对另外一种美妙的幻想。人们试图设计一种热机，它从海洋，空气中吸取热量，并将人们试图设计一种热机，它从海洋，空气中吸取热量，并将这些热量全部转化为功，不放任何热给低温热源这些热量全部转化为功，不放任何热给低温热源例如：
29、海水温度降低例如：海水温度降低0.1度，相当于度，相当于1800万个功率，为万个功率，为100万千万千瓦发电站一年的发电量瓦发电站一年的发电量第35页，共51页，编辑于2022年，星期日第二类永动机能否实现？第二类永动机能否实现？大量事实均说明，一切热机不可能从单一热源取热而把它全部转化大量事实均说明，一切热机不可能从单一热源取热而把它全部转化为功。为功。热转化为功是有限度的，有条件的，但反过来功可以转化为热却是能自热转化为功是有限度的，有条件的，但反过来功可以转化为热却是能自发的，无条件地进行发的，无条件地进行过程的过程的唯一唯一效果效果能否发生能否发生热功热功转换转换功功热热功功热热 热热
30、传传导导高温高温热量热量低温低温高温高温热量热量低温低温 气体气体扩散扩散分离分离混合混合分离分离混合混合 全部全部全部全部第36页，共51页，编辑于2022年，星期日热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律是关于是关于自然过程方向的一自然过程方向的一一一.热力学第二定律的两种表述：热力学第二定律的两种表述：1.开氏表述开氏表述（Kelvin，1851）：）：不可能从单一不可能从单一热源吸收热量，热源吸收热量，使之完全变为功使之完全变为功而不产生其他影而不产生其他影响。响。A=QQT第二类第二类永动机永动机条基本的、普遍的定律。条基本的、普遍的定律。第37页，共51页，编辑于2
31、022年，星期日A=QV1 TQV2 左图所示过程是左图所示过程是思考思考开氏表述的另种说法：开氏表述的另种说法：2.克氏表述克氏表述（clausius，1850）：热量不能热量不能自自动地动地从低温物从低温物体传向高温物体传向高温物体体QT1（高）（高）T2（低）（低）否违反热力学第二定律？否违反热力学第二定律？不存在第二类永动机不存在第二类永动机第38页，共51页，编辑于2022年，星期日“不可能性不可能性”的正面价值的正面价值不可能性标志出一种已到达极限的探索的终止，同时也开辟了许多新机不可能性标志出一种已到达极限的探索的终止，同时也开辟了许多新机会会如，热力学第二定律的如，热力学第二定
32、律的“不可能性不可能性”就是探索就是探索“不可逆性不可逆性”的物理根源的的物理根源的开始开始与不可逆性相关联的态函数熵与不可逆性相关联的态函数熵克劳修斯不等式克劳修斯不等式 系统任意的循环过程系统任意的循环过程 可逆循环可逆循环 不可逆循环不可逆循环热温比热温比第39页，共51页，编辑于2022年，星期日态函数态函数熵熵态函数熵的定义式态函数熵的定义式第40页，共51页，编辑于2022年，星期日可逆过程热力学第二定律的数学表述的积分形式可逆过程热力学第二定律的数学表述的积分形式 可逆过程热力学第二定律的数学表述的微分形式可逆过程热力学第二定律的数学表述的微分形式 第41页，共51页，编辑于20
33、22年，星期日初，终态均为平衡态的热力学第二定律的数学表述初，终态均为平衡态的热力学第二定律的数学表述 不可逆循环不可逆循环 第42页，共51页，编辑于2022年，星期日微小的不可逆过程微小的不可逆过程 结论结论：不可逆过程的温比热量小于熵的变化不可逆过程的温比热量小于熵的变化.热力学第二定律的数学表述的积分形式和微分形式可分别归结为热力学第二定律的数学表述的积分形式和微分形式可分别归结为不可逆过程不可逆过程可逆过程可逆过程第43页，共51页，编辑于2022年，星期日熵的计算举例熵的计算举例（1）选定系统）选定系统（2）确定状态）确定状态（始、末态及其参量）（始、末态及其参量）（3）拟定可逆过
34、程连接始、末态）拟定可逆过程连接始、末态可以可以任选（任选（或说或说拟定）拟定）一个可逆过程一个可逆过程来计算。来计算。熵是状态的函数，熵是状态的函数，不管经历了什么过程，不管经历了什么过程，熵的变化熵的变化总是一定的，总是一定的，它只决定于始、末态。它只决定于始、末态。因此当给定了系统的始、末状态而因此当给定了系统的始、末状态而求熵变时求熵变时，计算熵变的步骤如下：计算熵变的步骤如下：当系统从初态至末态时，当系统从初态至末态时，也不管过程是否可逆，也不管过程是否可逆，第44页，共51页，编辑于2022年，星期日已知：已知：Cu块：块：m，T1，比热，比热c（常量）（常量）水：水：T2（恒温）
35、（恒温）Vm(calculated)9 cm3/mol2.low critical point(低臨界點)Tc=5.20 K(low binding energy)3.stable liquid phase from 4.22 K to 0 K at 1 atm(穩定液相),solid phase only for p 25 atm(see Chap 12 cryogenics)(7-15)第48页，共51页，编辑于2022年，星期日Fountain effect(噴泉效應)(1938)thermo-mechanical effect(熱機效應)when radiation warms a s
36、uperfluid,expansion push up the free surface of liquid forming a fountain manifestation of two-fluid model of LHe IICreeping effect(爬行效應)LHe II will creep up the side of open container to form a layer,30 nm thick liquid film(Rollin film)on surface(will creep out of a open container and forming a dro
37、p below)P.L.Kapitsa(1894-1984)(discovery of superfluid in 1937)1978 Nobel physics prize,“for his basic inventions and discoveries in the area of low temperature physics”(7-17)第49页，共51页，编辑于2022年，星期日(Bose-Einstein condensation of dilute gas of alkali atoms)(鹼金屬原子稀釋氣體之玻色鹼金屬原子稀釋氣體之玻色-愛因思坦凝結愛因思坦凝結)Bose-E
38、instein condensation(BEC)of adilute boson gas(vapor)of 2000 87Rb atoms(e+p+n=even,boson)cooled by combination of laser cooling and magnetic evaporation coolingparticle velocity distribution shows asharp peak centered around zero speed v=0(condensate atoms inthe ground state)below Einstein condensati
39、on temperature TE 170 nK (left:T 400 nK TE,center:T 200 nK TE,right:T 50 nK TE)(in 3D)for the dilute gas at T,room-mean-square velocity vrms=(3kT/M)1/2(see Chap 14)particle concentration n=N/V 1010 cm-3 due to small trapped volume V n nQ quantum boson gas at ultra-low temperature E.A.Cornell,W.Kette
40、rle,C.E.Wieman,2001 Nobel physics prize“for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms”(7-22)第50页，共51页，编辑于2022年，星期日(Laser cooling)(雷射冷卻雷射冷卻)Dilute gas(vapor)of atoms can be cooled by combination of laser Doppler cooling and magnetic evaporation coolingMagneto-optic
41、al trap(磁光陷阱)1.three pairs of two circularly-polarizedcounter-propagating laser beams from laser diodes with a red-detuned frequencyhf DE(紅調變頻率圓偏振雷射)2.two solenoid magnets with currents inopposite directions(anti-Helmholtz configuration),generate a spherical quadrupole magnetic field B(球四極磁場)Dilute atom vapor is cooled and trapped in a very small volumeSteven Chu(朱棣文),C.Cohen-Tannoudji,W.D.Philips1997 Nobel physics prize,“for development the methods to cool and trap atoms with laser light”(12-20)第51页，共51页，编辑于2022年，星期日