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热运动与自组织的本质——时空统计热力学

时间:2015-05-18  作者:宋太伟
  等体等质物质系统在低温下,由于粒子单元随机热运动能变弱小,粒子之间的某些弱相互作用宏观上会显现出来,即此时可以呈现粒子的某些有序结构势能能级的精细结构(相对的讲,对应能级差很小)。物体系统在超低温度环境下,可能会产生室温下观测不到的许多奇妙相态。

在绝对零度附近,按照时空统计理论,任何内部均衡的多粒子系统,微观粒子单元的热运动能级趋向于确定的最低能级,体系总时空结构形态集合中的简并态趋向于单一确定态或少数确定态,系统粒子时空结构形态趋于完全有序。对于单粒子流体物质(量子流体)来讲,温度趋于绝对零度附近时,粒子系统趋于完全有序,同态或准同态(如费米量子,虽不同态但态组合是确定的,或可理解为系统同态),宏观呈现集体一致运动态(宏观量子态),即超流,可以描述为单色谐振波。所以,内部存在自由电子的金属物质,在超低温下都呈现超导现象,此时金属内自由电子“流体”是集体一致谐振运动的,配对只是这种集体一致运动态(宏观量子态)内涵属性的一部分表征内容,BCS理论只是对金属低温超导现象的一种微观近似描述。

液氦在超低温环境下的表现同样令人惊奇。由于氦原子时空结构形态为各向同性(可理解为中性球形),除极易产生超流这一宏观量子现象以外,再低的温度,液氦也不能凝固。

推论:液氦没有固相。

3.3.3 相变方程及相变温度TC计算关系

根据3.3.1.1节所界定的物质系统状态条件,本节讨论分析相变过程的能态关系及计算相变温度TC的方法。

3.3.3.1 相变方程

考虑由一种微观粒子单元组成的多粒子系统,在等体等质均衡变化状态条件下,与外界只有放热吸热关系,微观粒子单元的质量为,其中电子质量为,系统粒子单元(比如,原子)总数为N。假设系统粒子可逆的通过放热∆Q从高能j相全部跃迁到低能j+1相,粒子在高位能j相和低位能j+1相的平均有序结构势能分别为=,单个粒子的热运动能分别为,(统计平均值分别为),粒子的能级分别为,系统总内能及变化分别为Uj、Uj+1及∆U,总熵变化为∆S ,整个过程温度均保持相变温度TC,则方程组:

能级方程组:时空统计热力学 (63)

相关量方程组: 热运动与自组织的本质——时空统计热力学 (64)

其中方程组(64)中,为粒子在相变温度从j相向j+1相能级跃迁放出的光量子,MШj和MШj+1 分别是系统在相变温度完全处在高位能j相和完全处在低位能j+1相的同能时空结构形态(简并态)数。

方程组(63)和(64)并没有具体化,是普遍适用的。如果再考虑等体等质系统可逆相变过程中多态并存的质量关系,方程组基本上可以求解可逆相变过程主要物理属性量。也可以利用方程组及相变实验所得相变温度、相变潜热等数据分析物体的内在结构属性。

3.3.3.2 相变温度TC计算关系

一种比较简单的估算相变温度TC 的方法:系统在绝对零度,处于完全有序的、最低结构能(或称最深势阱)能级的基态,假设系统从绝对零度附近开始升温,经过多次相变跃迁到j相,粒子有序结构势能从基态最低的提升到,系统有序结构势能能级提升高度(能级间宽度)为:

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