科学网

 找回密码
  注册
搜索
楼主: henryharry2

[建议] 热力学与统计物理

[复制链接]
 楼主| 发表于 2016-1-12 14:53:41 | 显示全部楼层

负热容

“有引力作用的热力学与无引力作用的热力学得出的结论完全不同。在不考虑引力的经典热力学中,加热则体系升温,冷却则体系降温,热容量是正值。而在一个自引力体系中情况刚好相反,加热则体系变冷,放热则体系升温,热容量是负值。而负热容物体的存在对于热力学来说具有根本性的影响。在一个体系中,如果同时存在着正热容物体和负热容物体,那么这个体系就具有极大的不稳定性。稍有扰动,平衡就会彻底遭到破坏而产生温差。只要有自引力体系存在,原则上就不存在稳定的热平衡,而宇宙间的天体或天体系统大多数正是这种自引力系统。”
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-1-13 04:22:33 | 显示全部楼层

热情的欢呼

热平衡的存在对整个热力学是至关重要的,热平衡是热力学的出发点。而对于引力起决定作用的体系,实际上不存在热力学意义上的热平衡态,而是不稳定的状态。这种现象在静态宇宙模型中是不可能发生的,也是开尔文和克劳修斯等人没有料想到的。于是,人类终于从百年梦魇中醒来,爆发出热情的欢呼,“宇宙不但不会死,反而会从早期的热寂状态(热平衡态)下生机勃勃地复苏”,“热寂说的一页,已被翻过去了”!
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-1-15 05:25:32 | 显示全部楼层

低级错误

假如引力是负热容的,必然会产生恒星辐射热量、温度不降反升的悖论,这明显是个低级错误。因此我认为,应该保留的是热力学第一定律,引力不是负热容,而是使熵减少,这样破坏的是热力学第二定律;现在的宇宙充满了活力,证明我们肯定是对的。
同时部分保留热力学第三定律,当温度趋于零时,熵也趋于零。这等于说熵是个相对性的概念,按照规范不变原理,随便选取个零点就行。毕竟暗物质粒子感受不到温度,对于它们来说,宇宙确实处于绝对零度。按照广义相对论,黑洞视界处于绝对零度,这一点在量子引力里也可以保留。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-1-18 04:57:14 | 显示全部楼层

熵量减少原理

2001年,有人发现,在自然约束的引力系统中,粒子的动能小于势能,即E小于等于V/2,其中E为粒子的动能,V为引力势能,V=-GMm/r,G为万有引力常数,M为场源的质量,m为引力场中某粒子的质量,r为粒子到场源中心的距离。上式表明,在约束性的系统中,系统的总能量为负。同时,我们看到,在引力场中,粒子的运动类似于某系统中的热运动。因此,可以用热力学的方法来研究这种运动。现在,用上式代换热力学第二定律、亦即熵量增加原理中的热量dQ,代换后的能量V/2的含义与热量dQ的含义相类似。由此,我们得出,在自然约束系统中,存在熵量减少的现象,并进而发现了熵量减少原理,亦即引力约束系统的热力学定律:
dS小于等于(1/2)V/T小于等于0。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-1-26 04:57:03 | 显示全部楼层

熵量守恒定律

宇宙中的白洞过程,是熵量增加的过程。对于黑洞过程来说,则是熵量减少的过程。这时,在引力的作用下,某系统开始收缩,并最后坍缩成黑洞。在收缩过程中,引力占优势,势能绝对值|V|大于动能K,Q为负值,熵为负。显然,在这一过程中,其半径减小,从最大减到约等于0,温度从最小逐渐上升,在坍缩成黑洞时,温度达到最大。这是一个热化的过程。现在,也将该宇宙系统划分为充分小的各个小系统,通过积分,有,熵量S小于0。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-1-29 04:50:25 | 显示全部楼层

熵量守恒定律

热力学第二定律指出,对于可逆过程,其积分可沿任一路径进行,在沿可逆过程对温比热量的变化进行积分时,其积分与路径无关,即积分结果为一常量。在某些特殊的情况下,个别白洞、黑洞过程可以构成循环系统。这种特殊情况,就是这样的可逆过程。对于这种可逆过程,从以上可得:S=0。
从以上可见,白洞具有的是正的能量,黑洞具有的是负的能量。在白洞、黑洞构成循环过程的系统中,总的能量变化为0,也就是说,能量是守恒的。同时,从此式可见,总的熵量变化也为0,也就是说,熵量也是守恒的。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-1-30 14:52:05 | 显示全部楼层

松原函数

为什么会有个松原函数?似乎可以从量子引力推导出来。以地狼星A和B之间的环绕运动为例,假设地狼星A的动量为p,从质心坐标来看,地狼星B的动量就是-p。按照薛定锷方法量子化,地狼星A的运动做替换p→ iħ▽,地狼星B的运动做替换-p→ -iħ▽。
可是地狼星A+地狼星B = ψψ*,地狼星A和B被认为是对径点,于是地狼星A和B的运动确实满足薛定锷方程,薛定锷方程是虚时间的热传导方程。地狼星A和B的运动有一个虚时间轴上的周期性。也就是说,地狼星A和B的运动可以用松原函数描述。当然此时普朗克常数ħ的意义不同了,有点像超导体的Ginzburg-Landau宏观波函数中出现的普朗克常数,放在这里是为了保留和微观量子力学的相容性。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-1-31 05:03:16 | 显示全部楼层

Wick转动

从量子引力的薛定锷解来看,平时月亮和地球以及地狼星A和B就在那里互相围绕着转,这是个可逆过程,没有耗散效应时,它们永远都会这样转下去。当从虚时间轴变到实时间轴时,这相当于Wick转动,薛定锷方程变成了热传导方程,热传导方程引入了不可逆性。但是这个不可逆过程一定是使宇宙的熵增加吗?不一定吧。
以气体星云为例,当忽略引力时,热运动倾向于使气体扩散,宇宙的熵增加。考虑引力后,引力倾向于使气体聚集。那么引力导致的聚集过程到底是使宇宙的熵增加还是减少呢?如果一个人完全不懂热力学,他肯定会认为这个过程使宇宙的熵减少,因为这是很显然的吗,用的着细想吗?
可是“懂”热力学的“专家”们为了拯救热力学第二定律,硬性规定引力也是导致宇宙的熵增加。从理论上将,这是拿着鸡毛当令箭,面对着生机勃勃的宇宙,这叫睁眼说瞎话。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-2-9 06:05:42 | 显示全部楼层

历史上的“热寂说”

根据热力学第一和第二定律,凱尔文,赫尔姆霍兹和玻尔兹曼推论说,所有系统都会最终趋于一个热力平衡状态,如果宇宙是一个有限的封闭的热力系统,最终将趋于一个热力平衡状态,一个完全均匀的,温度完全平衡的状态。在这一状态中,所有的恒星都冷却了,用以支持生命的能量用光了,全宇宙到达了一个“热寂”的状态,走完了从有序向无序的全过程,所有的物理现象都停止了,宇宙也就完全死亡了。这就是历史上的“热寂说”。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-2-9 06:09:26 | 显示全部楼层

时间无限

玻尔兹曼清楚地知道,他的“热寂说”与时间无限的宇宙论相抵触。如果世界必然从有序走向无序,那最初的“有序”从何而来呢?因此,为了“热寂说”能够应用于整个宇宙,必须假定时间有某个“原点”,在这个时间原点由某个原始推动力或造物主突然创造一个有序的世界,然后撒手不管,任凭其从有序到无序发展,最后至于完全无序的“热寂”状态,而这,也就是世界的末日,时间的终点。所以,“热寂说”是和时间有限宇宙论密切相关的理论。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-2-9 06:13:31 | 显示全部楼层

玻尔兹曼苦恼

玻尔兹曼深为这种结论而苦恼,因为他不相信迷信,不能接受一种超自然力作为宇宙的起源的学说。那能否从科学理论中找到这种“原始的有序状态”存在的根据呢?除非假定在远古的某个时刻,无序的宇宙突然偶然地形成了一个非常有序的状态,也就是说,一个无序的宇宙突然自发地变成了一个高度有序的宇宙,一如从死老太婆分解出来的分子偶尔重新组合,突然变回两千年前翩若惊鸿婉若游龙荣曜秋菊华茂春松的贵妇。这种几率小得连玻尔兹曼也知道其实是完全的不可能。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-2-16 05:33:18 | 显示全部楼层

熵量守恒定律

在宇宙中,除了某些白洞—黑洞过程构成循环系统的特殊情况外,在一般情况下,大多数白洞、黑洞过程是错开的,并不构成循环系统。假定在宇宙中有m个天体处于白洞状态,有n个天体处于黑洞状态。在宇宙中,在总体上,白洞、黑洞总是相继发生的。在一般情况下,对于两相邻的白洞、黑洞来说,白洞的正能量和黑洞的负能量并不一定是相等的。但是,根据对称性原理,在总体上,宇宙中的白洞、黑洞是对称的,白洞的正能量和黑洞的负能量总是相互抵消的。在这种情况下,可以令m=n,从而有:S=0。从以上可见,在局部区域,两相邻的白洞、黑洞并不一定两两构成循环过程,但在总体上,白洞、黑洞是两两对应的,因此,在整个宇宙系统中,能量是守恒的,熵量也是守恒的。这就是宇宙系统的熵量守恒定律。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-2-23 05:22:36 | 显示全部楼层

熵量守恒定律

1850年,德国物理学家克劳修斯提出了熵的概念。熵就是温比热量,是热量的变化除以绝对温度所得的商,也就是热力学系统平衡态的状态函数。熵量则是无序程度的量度。在宇宙系统中,除了质量、能量外,还有一种叫做熵量的物理量。在宇宙中,不但质量是守恒的,能量是守恒的,而且,总的熵量也是守恒的。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-3-6 14:45:49 | 显示全部楼层

熵量守恒定律

就整体而言,引力约束系统的熵量减少原理和热力扩散系统的熵量增加原理,是互补的。也就是说,将熵量减少原理与R.克劳修斯的熵量增加原理结合起来,可以得出,宇宙总的熵量为零,宇宙中的熵量是守恒的。这就是熵量守恒定律。按照熵量守恒定律,宇宙是熵增和熵减交替的过程,或者说,是热寂和热化交替的过程。这两个过程的交替运行,将使宇宙永远处于充满活力和生机的状态。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-3-18 19:01:39 | 显示全部楼层

热力学函数

[color=rgba(0, 0, 0, 0.701961)]当热力学系统的基本方程给定后,要研究这一系统处于平衡态时的热力学性质,通常需要知道该系统的特征函数。对于简单可压缩系统,通过勒让德变换可以得到包括内能在内的4个特征函数U、F、H和G,由此可得四类相关方程。如函数的定义式、微分式、麦氏关系等。对含有n种广义功模式的系统、n元开放系统,通过勒让德变换可以得到2~(n+1)个特征函数,以这些函数为基础建立的方程就更为复杂,如能找到一个通用特征函数,就可以使热力学讨论大大简化。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-3-25 06:01:07 | 显示全部楼层

三种热力学

对流形成之后出现的流的运动和静止状态的微观流动相比是一个有高度组织的状态。实际上,为了得到一个可以辨认的流动花样,数目很多的分子要以相干方式在一个足够长的时间内移过可观察的距离。按照玻耳兹曼的有序性原理,出现Bénard对流的概率几乎为零,这一点是很有趣的。
这就提示我们,实际上存在三种热力学:玻耳兹曼的热力学,耗散结构和加入了引力的热力学。耗散结构是远离平衡态的,而引力则是用动态平衡代替玻耳兹曼的准静态平衡。在耗散结构中,新的相干态出现在远离平衡态的地方;而在引力热力学中,地狼星A和B本身都是相干态;包含配容数计数之中的概率理论就不能应用了。
在Bénard对流的情况中,我们可以想像总是有一些小的对流作为对平均状态的涨落而出现,但当温度梯度低于一定的临界值时,这些涨落将被阻尼并消失。若超过了这个临界值,则这些涨落将被放大,并且出现宏观的流动。新的分子有序性出现了,它基本上相当于因与外界交换能量而稳定化了的巨型涨落。在远离平衡态的系统中,热力学行为与用最小熵产生定理所预言的行为相比,可以颇为不同,甚至实际上完全相反。在Bénard不稳定性的情况中,因为对流提供了热传输的一个新机制,熵产生就增加了。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-3-25 06:18:46 | 显示全部楼层

量子合作

小涨落不再能改变组态,注意到这一点是很重要的。对称破缺系统一旦建立,就是稳定的。而在引力热力学的情形中,地狼星A和B的束缚态本身就是宏观涨落,并且这个束缚系统不产生熵,很像量子合作现象中的超流和超导。实际上地狼星A和B的束缚系统很像铁磁系统,没有任何涨落能变更铁磁体的方向,长程有序被一劳永逸地建立了起来。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-3-28 14:43:25 | 显示全部楼层

简谐振子

对于简谐振子,普朗克在1911年假定E = ћω(n + 1/2)。也就是说,E是在相空间中的能量平均值,这就导致了“零点能”ћω/2。揭示出这一点的首先是分子的带光谱。能量这种量只与状态(n)有关,而与状态之间的跃迁(n, l)无关。此外,它也与时间无关。海森堡的这种关于简谐振子的计算后来成了量子场论的一个重要部分,其中线性场被分解为简谐振子。
从量子引力也可以推导出零点能。在地球与月亮的引力中,由于地球的质量是月亮的81倍,绝热近似成立,可以忽略零点能。在地狼星A和地狼星B的引力中,由于我们假设了地狼星A和B的质量相等,地狼星A和B像简谐振子,基态中必然包含零点能。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-4-10 05:05:39 | 显示全部楼层

Thomsen-Berthelot规则

在能斯特之前,化学家在研究低温化学反应中,总结出一条经验规则,称为Thomsen-Berthelot规则,其内容是:在等温等压条件下,低温化学反应向着放热的方向进行。这个规则与热力学第二定律不符。因为根据热力学第二定律关于判断过程方向的普遍准则,在等温等压条件下,过程应该向着Gibbs函数减少的方向进行(ΔG ≤ 0),但是Thomsen-Berthelot规则在许多情况下是对的,这又该如何理解呢?     显然,需要用热力学理论来回答。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2016-4-12 05:50:35 | 显示全部楼层

诘难

[color=rgba(0, 0, 0, 0.701961)]首先对“热寂说”提出诘难的是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell )。1871年,他在《热理论》一书的末章《热力学第二定律的限制》中,设计了一个假想的存在物——“麦克斯韦妖”。麦克斯韦妖有极高的智能,可以追踪每个分子的行踪,并能辨别出它们各自的速度。这个设计方案如下:“我们知道,在一个温度均匀的充满空气的容器里的分子,其运动速度决不均匀,然而任意选取的任何大量分子的平均速度几乎是完全均匀的。让我们假定把这样一个容器分为两部分,A和B,在分界上有一个小孔,在设想一个能见到单个分子的存在物,打开或关闭那个小孔,使得只有快分子从A跑向B,而慢分子从B跑向A。这样,它就在不消耗功的情况下,B的温度提高,A的温度降低,而与热力学第二定律发生了矛盾"。麦克斯韦认为,只有当我们能够处理的只是大块的物体而无法看出或处理借以构成物体分离的分子时,热力学第二定律才是正确的,并由此提出应当对热力学第二定律的应用范围加以限制。
回复 支持 反对

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2017-9-27 04:07

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007-2017 中国科学报社

快速回复 返回顶部 返回列表