热力学的热点问题

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， ( 50% 742K) 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。
热力学的时间箭头
（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
∂v
)Tc = 0
(
1 ∂ρ α p = ( ) p →∞ ρ ∂T
∂v
2 Tc
) =0
cp →∞
cV →∞
临界现象
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。
热力学的时间箭头
（4）热力学的时间观
1872年，玻耳兹曼(Ludwig Boltzmann, 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 H 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
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
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： ∂p ∂2 p
(
1 ∂ρ KT = ( )T →∞ ρ ∂p
（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(Arrow of time) －爱丁顿勋爵(Arthur Eddington)；
相变的相似性
相变的类比
M
ρ
液
M O TC T
TC
ρl-ρv
T
气
铁磁相变
气液临界点
临界现象的描述
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
T − TC ε= TC
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。 铁磁相变：对于各向同性的铁磁体。在高温顺磁 微观磁距为零，一切方向是等价的， 相，微观磁距为零，一切方向是等价的，具有很 高的对称性。 高的对称性。 S =0
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(Stephen W. 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
描述临界现象的基本物理量
Leabharlann Baidu
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。 (ρl 作为气液临界点的序 − ρv ) 因此将气液密度差 参量。 序参量反映体系内部的性质，只要它具有无穷 小的非零值，就意味着对称性质发生改变，出 现了有序；
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）。
热扩散系数
a =
λ ρc
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。
临界指数与临界幂定律
气液密度差随约化温度变化的幂定律： ρl − ρv Tc − T β = B( ) = B(−ε )β 2ρc Tc 沿临界定容线计算的定容（定密度）比热的行为 ： CV =VC ~ (−ε )−α 定温压缩系数的行为 ：
βT ~ (−ε )
−γ
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 ，
M = S ≠0 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；
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 。
S = k logW
临界现象与临界理论
纯净物的热力面
液 临界 点 气
p
固
T v
临界现象与临界理论
凝固时收缩的物质的相图
p
流体 固 液 气 临界点
T
临界现象与临界理论
流体的T-v图与临界相变 图与临界相变 流体的
T
液 相
T0
?
C
气 相
vc
v
气液临界现象
界 面
临界现象
界 面
临界现象
界 面
临界现象