熱力學(xué)與統(tǒng)計物理

熱力學(xué)與統(tǒng)計物理第一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三老師任課：陳培鋒光學(xué)與電子信息學(xué)院光電工程系pfchen0413/p>

3位研究生助教老師第二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三國內(nèi)最早的高功率激光器第三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三獨創(chuàng)的多頭激光毛化技術(shù)第四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三(陀螺轉(zhuǎn)子)微小擾動角測量第五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三老師的特點“光電”“工程”第六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三教材《熱學(xué)》,范宏昌編著,北京:科學(xué)出版社,2003,普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材《統(tǒng)計熱力學(xué)》,梁希俠,班士良編著,北京:科學(xué)出版社,2008,普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材第七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三熱學(xué)與牛頓力學(xué)牛頓力學(xué):質(zhì)點和質(zhì)點組的機械運動熱學(xué):微觀粒子組成的宏觀物體的熱運動熱學(xué)：研究熱運動的規(guī)律及其對物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響，以及與物質(zhì)其他運動形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律。所謂熱運動即組成宏觀物體的大量微觀粒子的一種永不停息的無規(guī)運動。按照研究方法的不同，熱學(xué)可分為兩門學(xué)科:

熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)。從不同角度研究熱運動，二者相輔相成，彼此聯(lián)系又互相補充。第八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三熱力學(xué)是研究物質(zhì)熱運動的宏觀理論。從基本實驗定律出發(fā)，通過邏輯推理和數(shù)學(xué)演繹，找出物質(zhì)各種宏觀性質(zhì)的關(guān)系，得出宏觀過程進行的方向及過程的性質(zhì)等方面的結(jié)論。具有高度的普適性與可靠性。但因不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而將物質(zhì)視為連續(xù)體，故不能解釋物質(zhì)宏觀性質(zhì)的漲落。

統(tǒng)計物理學(xué)是研究物質(zhì)熱運動的微觀理論。從物質(zhì)由大量微觀粒子組成這一基本事實出發(fā)，運用統(tǒng)計方法，把物質(zhì)的宏觀性質(zhì)作為大量微觀粒子熱運動的統(tǒng)計平均結(jié)果，找出宏觀量與微觀量的關(guān)系，進而解釋物質(zhì)的宏觀性質(zhì)。在對物質(zhì)微觀模型進行簡化假設(shè)后，應(yīng)用統(tǒng)計物理可求出具體物質(zhì)的特性；還可應(yīng)用到比熱力學(xué)更為廣闊的領(lǐng)域，如解釋漲落現(xiàn)象。第九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三熱力學(xué)和統(tǒng)計物理的相互聯(lián)系與區(qū)別？熱力學(xué)和統(tǒng)計物理是否可以相互取代？是否可以通過求解所有大量粒子的運動方程來精確描述大量粒子組成的系統(tǒng)？組成宏觀物體的大量微觀粒子的一種永不停息的無規(guī)運動。熱學(xué)的結(jié)構(gòu)和必需第十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三熱力學(xué)還記得多少？熱力學(xué)是一門什么樣課？如果自由選擇，有人選擇本課程嗎？與專業(yè)有關(guān)嗎？與生活有關(guān)嗎？選擇本課程的原因？不選擇本課程的原因？難不難？沒意思有意思？不好玩好玩？第十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三人類知識傳承的需要與人類生活結(jié)合最緊密的物理哲學(xué)、理論上的意義熵—時間的方向等哲學(xué)問題的解釋非線性非平衡態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的進化本專業(yè)的意義人類進步的意義第十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三學(xué)習(xí)熱統(tǒng)的難其實是理論物理普遍的難學(xué)習(xí)理論物理的途徑（原作發(fā)表于水木清華BBS，作者不詳）但凡愛看武俠的人都知道練武功有內(nèi)功和招式，其實學(xué)物理也是大同小異。物理所對應(yīng)的內(nèi)功就是數(shù)學(xué)。學(xué)物理應(yīng)當從普通物理入手，至于四大力學(xué)，雖然是物理的一個核心，但是我不建議初學(xué)物理的人要在四年之內(nèi)學(xué)完它們，因為這四大力學(xué)可以說是高深莫測，而且就算勉強學(xué)完了也不會精通。對于物理的學(xué)士而言，我認為精通經(jīng)典力學(xué)和電動力學(xué)之一已經(jīng)是很不容易的事了。如果打算繼續(xù)學(xué)物理，那么就得學(xué)習(xí)物理學(xué)中最困難的量子力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)了。這兩門（實際是一門）學(xué)問可以說是高深莫測。第十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三問題一、為什么理論物理會比較難學(xué)習(xí)理論物理：理論力學(xué)、電動力學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計物理工程物理：理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、塑性力學(xué)理論物理對于工科專業(yè)的學(xué)習(xí)是必要的嗎？理論物理學(xué)習(xí)抽象上好課！爭取學(xué)期末改變看法！熱學(xué)教材的選擇—可以不必考慮應(yīng)試討論的教學(xué)方式第十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三教材和需要的基礎(chǔ)知識熱學(xué)統(tǒng)計需要哪些基礎(chǔ)知識呢？理論力學(xué)（或至少牛頓力學(xué)）概率論基礎(chǔ)量子力學(xué)第十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三問題二、為什么光電子要學(xué)習(xí)熱學(xué)1、不論光子還是電子系統(tǒng)都是大量粒子系統(tǒng)2、原子能級、能帶的分布規(guī)律3、光子的相位和方向的漲落分布—相干性4、氣體分子的頻移5、激光器本身是一個非平衡系統(tǒng)太陽能電池固體光源第十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三氨分子微波激射器包含哪些統(tǒng)計問題？第十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三最簡單的傳熱問題與本專業(yè)的關(guān)系大功率光電半導(dǎo)體器件的散熱問題高功率激光器的散熱問題熱敏感光電器件的溫度控制夜視器件的溫度控制激光加工傳熱學(xué)研究飛秒傳熱與飛秒加工極低吸收率的測量加熱型太陽能器件的保溫第十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三橫流CO2激光器散熱第十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三氣體激光器放電管板放電結(jié)構(gòu)→針板放電結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的均勻放電奠定了高功率和實用化的基礎(chǔ)第二十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三問題三、物理學(xué)與人類進步物理學(xué)是研究物質(zhì)運動最普遍、最基本規(guī)律的科學(xué)17-19世紀，物理學(xué)經(jīng)歷了三次大綜合，建立了牛頓力學(xué)、熱力學(xué)和電磁理論力學(xué)+熱力學(xué)→工業(yè)革命電磁理論→發(fā)電機、電動機、電報、電話相對論+量子力學(xué)→航天、微電子、光電子、生物、信息技術(shù)第二十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三熱學(xué)發(fā)展的動力熱學(xué)起源于人類對冷熱現(xiàn)象的探索中國戰(zhàn)國時期提出五行學(xué)說，認為金木水火土是萬事萬物的根本。古希臘赫拉克利特提出：火水土氣是自然界的四種獨立元素。熱力學(xué)研究要求是統(tǒng)計物理最初的起源，熱力學(xué)研究的動力則是來源于“動力”的追求第二十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三英國工業(yè)革命歷程--紡織工業(yè)1733年鐘表匠凱伊發(fā)明飛梭，大大提高了織布效率。1764年-1767年詹姆斯.哈格里夫斯發(fā)明珍妮紡紗機。1768年凱伊又發(fā)明了水力紡紗機。1779年克隆普敦結(jié)合兩種紡紗機的優(yōu)點發(fā)明了騾機(mule)，后改良成自動棉紡紗機。1785年，牧師艾德蒙特.卡特萊特發(fā)明了動力織布機，并且在1791年建造了第一座動力織布機工廠，實現(xiàn)了紡織行業(yè)的機械化生產(chǎn)，紡織的動力依靠水力1769年詹姆斯.瓦特根據(jù)前人的成果，成功發(fā)明了單向蒸汽機1782年制造出雙向蒸汽機。1800年，英國擁有蒸汽機321臺、5210匹馬力1825年猛增到15000臺，375000馬力。第二十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三英國工業(yè)革命歷程--運輸革新1759年-1830年英格蘭2200英里的運河。1807年，美國人富爾敦發(fā)明了汽船1811年英國開始仿制1765年英國開始使用鐵軌1788年開始架設(shè)鐵橋1814年史蒂芬遜發(fā)明蒸汽機車1825年于英國的第一條鐵路上試車成功。1844年，英國鐵路已經(jīng)長達2235英里。第二十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三動力的使用極大解放了對人力的依賴從生產(chǎn)技術(shù)方面來說，工業(yè)革命使工廠制代替了手工工場，用機器代替了手工勞動；從社會關(guān)系來說，工業(yè)革命使依附于落后生產(chǎn)方式的自耕農(nóng)階級消失了，工業(yè)資產(chǎn)階級和工業(yè)無產(chǎn)階級形成和壯大起來國家的強弱不再單純依賴人力中國的自耕農(nóng)階級？第二十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三熱力學(xué)與人類的命運水力、木柴、煤、石油，人類能力的解放需要能源能源的大量需求帶來的污染----京都議定書糧食危機—75%與生物能源有關(guān)，1噸生物能源需要消耗600公斤化石能源英國專家稱人類只剩7年控制溫室氣體排放水變油激光約束（慣性約束）核聚變學(xué)習(xí)物理理論的重要性----綜合分析的能力--第二十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三包菜從地頭的2分到零售的1.6元農(nóng)民、經(jīng)銷商、零售商都沒有賺到錢利潤去了哪里？資源的重要性！可持續(xù)發(fā)展生活方式和價值觀“桑迪”、北方大雪……第二十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三根據(jù)最近1000年南極冰中的CO2濃度測定記錄,以及在夏威夷的莫納羅亞山觀測所測定的1958年后的CO2濃度第二十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三解決問題的途徑新能源？效率提高？熱機效率提高的途徑—創(chuàng)新與熱力學(xué)政策的作用----鼓勵創(chuàng)新年輕一代的責任與風(fēng)險太陽能、節(jié)能光源、約束聚變等需要我們對熱、能的新認識和發(fā)展第二十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三低碳生活體會人類對“動力”的需求體會“動力”的一去不回體會提高“效率”的難體會節(jié)省“能源”的困難體會新能源的重要第三十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三激光核聚變

利用高功率激光束作用于由氘、氚或氘-氚制成的靶丸，使氘、氚核發(fā)生聚合，同時釋放出巨額核能量的技術(shù)。因為整個聚變過程是在極短時間內(nèi)完成，氘氚燃料丸來不及膨脹，因此又稱慣性約束聚變。第三十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三在宇宙中，核聚變是產(chǎn)生能量的主要機制。兩個氘核聚合成氦原子，釋放3.2MeV的能量，一個氘核和一個氚核聚合成氦原子核，釋放出17.6MeV的能量。用核能量做燃料燃燒值非常高，1kg核燃料產(chǎn)生的熱量相當于2×107kg煤產(chǎn)生的熱量。海水中蘊藏著大量的氘、氚，數(shù)量約為20萬噸，所以核聚變技術(shù)能為人類提供幾乎是用之不盡的能源。第三十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三1億度左右的高溫參與反應(yīng)的粒子密度要足夠高并能維持一定的反應(yīng)時間，即‘nτ’值要達到1014

（秒/厘米3）激光聚變（ICF）：

反應(yīng)時間t-10-9秒，密度n~1023/厘米3

激光核聚變反應(yīng)的條件

第三十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三慣性約束聚變的四個過程(1)加熱:激光（或離子束，X光輻射）照射靶丸快速加熱表面.(2)壓縮:靶丸表面物質(zhì)向外噴射，形成的反沖壓力將靶丸向心壓縮，壓力達到108大氣壓，推力約為航天飛機的100倍.(3)點火:靶心燃料被壓縮到20倍鉛密度，并在108度高溫下點火.(4)燃燒:發(fā)生熱核爆炸并迅速擴展到整個燃料，從而釋放核能，并大于輸入能量若干倍.第三十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三神光-I裝置的兩路激光系統(tǒng)

(builtin19862beam/f200mm,1.6KJ/1w/1ns)

第三十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三“神光Ⅱ”裝置的八路激光系統(tǒng)(20008beams/f200mm,6KJ/1w~2.5KJ/3w/1ns)

第三十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三神光-Ⅲ激光裝置靶室光路

第三十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三美國“國家點火裝置”

（NIF）

(192束,1.8兆焦,351nm,ns,500太瓦,聚焦到2毫米氫氣球,2億度)

1.模擬核爆，保證美國在無需核試的情況下保持核威懾力?！案蓛魵鋸棥睂儆诘?代核武器，不受《全面禁止核試驗條約》的限制，可作為“常規(guī)武器”使用。2.模擬超新星、黑洞邊界、恒星和巨大行星內(nèi)核的環(huán)境。3.借助NIF制造類似太陽內(nèi)部的可控氫核聚變反應(yīng)，最終用來生產(chǎn)可持續(xù)的清潔能源。第三十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三1999年化石資源年消費量為60億噸，平均每人消費1噸。日本人均消費量2.4噸，英國2.5噸，德國2.6噸，美國5.3噸。CO2的75%是由發(fā)達國家產(chǎn)生，人口占75%的發(fā)展中國家產(chǎn)生25%。第三十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三《京都議定書》１９９７年１２月，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第３次締約方大會在日本京都召開。１４９個國家和地區(qū)的代表通過了旨在限制發(fā)達國家溫室氣體排放量以抑制全球變暖的《京都議定書》第四十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三《京都議定書》減排規(guī)定到２０１０年，所有發(fā)達國家二氧化碳等６種溫室氣體的排放量，要比１９９０年減少５．２％。具體說，各發(fā)達國家從２００８年到２０１２年必須完成的削減目標是：與１９９０年相比，歐盟削減８％、美國削減７％、日本削減６％、加拿大削減６％、東歐各國削減５％至８％。新西蘭、俄羅斯和烏克蘭可將排放量穩(wěn)定在１９９０年水平上。議定書同時允許愛爾蘭、澳大利亞和挪威的