热力学与统计物理课件.ppt

1、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 pfchen0413sina 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,2019,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,2019,普通高等教育“十一五”国家级规划教材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

2、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。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的一种永不停息的永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。互相补充。热力学是研究物质热运动的宏观理论。从基本实验热力学

3、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。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，运用统计由大量

4、微观粒子组成这一基本事实出发，运用统计方法，方法，把物质的宏观性质作为大量微观粒子热运动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的统计平均结果，找出宏观量与微观量的关系，进，找出宏观量与微观量的关系，进而解释物质的宏观性质。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。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

5、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 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

6、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：理论物理：理论力学、电动力学、量子力学、热力学和理论力学、电动力学、量子力学、热力学和统计物理统计物理工程物理：工程物理：理论力

7、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

8、 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

9、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

10、。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

11、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CO

12、2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。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

13、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。激光核聚变激光核聚变反应的条件反应的条件 (built in 1986 2beam/f f200mm,1.6KJ/1w/w/1ns )“神光”装 置 的 八 路 激 光 系 统(2000 8 beams/f f200mm,6KJ/1w w 2.5KJ/3w/1w/1ns )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

14、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。2019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

15、 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 2019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2019年签署了京都议定书 但2019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。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%