第十一章热力学基础

第十一章热力学基础 热学研究内容 —— 自然界中物质与冷热有关的性质及其变化的规律研究方法一 —— 由观察和实验总结归纳出有关热现象规律 —— 热力学研究方法二 —— 从物质的微观结构出发，以每个微观粒子遵循的力学定律为基础，利用统计规律得到宏观热学规律 —— 统计物理

§ 11.1 热力学第零定律温度 1. 热力学第零定律温度 1) 热力学第零定律 —— 与同一物体达到热平衡状态的两个物体，彼此之间也将达到热平衡状态 2) 温度 —— 物体冷热程度的量度宏观 —— 描述两个或多个热力学系统处于同一热平衡状态具有的共同性质微观 —— 反映分子做无规则运动剧烈的程度

2. 温标 1) 理想气体温标水的三相点温度 2) 热力学温标：1948年英国物理学家开尔文根据卡诺定理建立的不依赖于任何物质特性的温标 —— 绝对温标 3) 国际温标：按最接近热力学温标的数值规定了一些温度的固定点，用这些固定点标定的温标叫国际温标 4) 摄氏温标：以水的三相点为零度

宇宙大爆炸后10-43 s 1033 K —— 宇宙的密度：~1093 kg/m3 实验室获得的最高温度 6×107 K 太阳中心 1.5×107 K 地球中心 4×103 K —— 地球的密度：5×103 kg/m3 表面温度300 K 氮的沸点 77 K —— 1 atm =1.013 25×105 Pa 氦的沸点 4.2 K 星际空间 2.7 K —— 宇宙背景温度实验室获得的最低温度 5×10-10 K —— 核自旋冷却法 2.4×10-11 K —— 激光冷却法

激光管内正在发射激光的气体的绝对温度为负！激光管内正在发射激光的气体的绝对温度为负！ —— 比6×107 K还要高！ 19世纪物理的热点之一 —— 气体液化 —— 1894年荷兰莱顿大学实验物理学教授卡麦林·昂内斯建立了著名的低温试验室 —— 1908年昂内斯成功地液化了地球上最后一种“永久气体” ─ 氦气（4.2K），并获得了接近绝对零度的低温 —— 1911年汞的电阻在4.2K左右时急剧下降，以致完全消失 Superconductor —— 超导体的发现

High Temperature Superconductor 物质的超导电性 —— 1957年，美国的巴丁、库柏和施瑞弗三位理论物理学家提出了BCS理论，成功解释了有关超导电性的物理性质 —— 经典的金属电子论指出，当自由电子在由原子实组成的晶格中作定向运动时，由于原子实在做不停原无规则热振动，电子运动受碰撞而改变方向形成了电阻 —— 超导电性是一种宏观量子现象，只有用量子力学才能给予正确的解释

—— 库柏认为只有具有大小相等而方向相反的动量和相反的自旋的两个电子才能通过晶格振动结成电子对的束缚态 — Cooper Pair  —— 巴丁、库柏和施瑞弗三人将这一概念应用到超导问题，完成了现代超导微观理论，成功解释了有关超导电性的物理性质。正所谓“单个前进有电阻，结伴成行才超导” —— 1986年，具有最高超导临界温度的材料 — 铌锗合金的超导临界温度仅为23K (-250℃) —— 1986年7月，IBM苏黎世研究室的米勒和贝德诺茨博士在瑞士物理学报上发表了一篇标题为《可能的高温超导体－镧钡铜氧化物》的文章 —— 在35K时开始发生超导转变

—— 1987年2月，美国休斯顿大学朱经武领导的研究小组和中国科学院物理研究所赵忠贤领导的研究小组获得了转变温度90K钇钡铜氧化物超导体 Crystal Structure of YBaCuO

超导体的四项判断准则 1) 必须在一个确定的温度实现零电阻转变 2) 在零电阻转变温度的附近必须观察到完全抗磁性 3) 必须具有一定的稳定性和再现性 4) 必须为其他实验室所重复和验证 —— 1988年底，新型氧化物超导体转变温度提高到125K —— 至1992年初，有70余种氧化物超导体被开发出来 —— 氧化物超导体转变温度Tc<125K —— 2001年1月10日，日本青山学院大学教授秋光纯宣布，他的研究小组发现金属间化合物二硼化镁具有超导电性 MgB2 —— 临界温度到达39K

第十一章 热力学基础