线度和非简谐效应对Ag纳米晶热力学性质的影响

应用固体物理和统计物理的理论,考虑原子作非简谐振动,从微观角度研究了Ag纳米晶的热膨胀系数、格林乃森常数、化学势等随温度的变化规律.结果表明:①在简谐近似下,Ag纳米晶不会有热膨胀,其格林乃森常数为零,非简谐效应导致热膨胀系数和格林乃森常数都随着温度升高而增大,但变化较慢.②球形Ag纳米晶的化学势大于平面块状晶体的化学势,且粒子线度愈小,两者相差愈大;其中,由界面弯曲引起的化学势修正μ′e随粒径的减小而增大,粒径较大时,μ′e将不变.③球形Ag纳米晶受温度的影响大于平面块状晶体,总化学势随温度升高而减小,但变化缓慢,由界面弯曲引起的化学势修正μ′e随温度升高而增大,且温度愈高,μ′e的变化速度愈快.④非简谐效应影响纳米晶热力学性质的本质在于它改变了原子的相互作用势形式和总相互作用能.     

广义不确定性原理下广义外势中n维理想费米气体的热力学性质

采用Thomas-Fermi的半经典近似,研究了广义不确定性原理下广义外势中n维理想费米气体的热力学性质.解析计算出平均粒子数、内能和热容等热力学量,给出了低温条件下上述热力学量及化学势、费米能和基态能的解析表达式以及考虑广义不确定性原理的修正项;在低温条件下,数值分析了外势与广义不确定性原理对铜电子气体及电子密度更高的电子系统热力学性质的影响,发现:1)考虑广义不确定性原理时,外势对电子系统的影响很大,使广义不确定性原理的修正项增加了6~11个数量级.2)粒子数密度越大、粒子质量越小,广义不确定性原理的影响越大.3)广义不确定性原理导致内能随温度的增加先增大,当温度升到某一数值时(对三维谐振势中的铜电子气体,T/T_(F0)~0.22)时,增值为0,温度再增加内能减少;热容随温度的增加减少;化学势、费米能和基态能随温度的升高而增大.     

热力学统计物理课程中的化学势

对大学本科《热力学统计物理》课程中的"化学势"这一概念进行了探讨,然后推导了化学势在热力学和统计物理两部分中的多种表达式,分析得到其物理含义是系统粒子数目改变时系统能量的改变量.最后讨论了化学势在统计物理和热力学中的理论应用以及在相变和化学反应中的实际应用,通过这些实例加深了学生对化学势的理解.     

化学势的特征及外场作用下的普遍化表达形式

化学势是热力学强度量,在讨论组分可变的多组元热力学系统中有着重要的应用,介绍了化学势的引入过程和基本定义以及在不同状态下的表达式,论证了化学势是判断化学平衡的依据;证明了化学势是扩散、相变和化学反应的推动力。在能量公设的基础上,证明了在外场作用下化学势不仅与温度、压强及各组分的摩尔质量有关,还与外场的特征参数有关,导出了外场作用下化学势的普遍化表达式。利用这个普遍化表达式解释了地球表面大气的平衡分布。导出的外场作用下化学势的普遍化表达式为利用外场的协同作用强化传质过程提供了理论指导。     

非广延相对论费米系统的统计性质

基于非广延统计物理中的广义量子气体理论,研究极端相对论自由费米气体的非广延热力学性质,运用近似方法简化并给出总能、热容量、化学势的解析式,利用数值模拟得出这些物理量在高温、低温下具体的曲线,并且分析温度、极端相对论效应及非广延参数对系统热力学性质的影响机制.     

低温均匀电场中正电子气的化学势和热容量

实验上超冷简并费米气体的获得以及分子玻色-爱因斯坦凝聚的成功观测,都是在外势存在的条件下进行的.因此,探讨外势作用下费米体系的热力学性质将有助于认识费米体系的简并特性,进一步揭示体系的各种宏观量子效应的实质.应用统计物理学的半经典近似方法导出了低温均匀电场中正电子体系的量子态密度,给出了体系的化学势和热容量在低温条件下的解析表达式,分析讨论了均匀电场对正电子体系化学势和热容量的影响.结果表明,低温情况下均匀外电场对体系的化学势和热容量有轻微影响.     

具有长程相互作用S-1/2 XYZ链的热力学性质

采用Jordan-Wigner变换和Gaussion积分变换分析方法,研究了外场中且具有Z方向长程相互作用自旋-1/2Heisenberg XYZ链的热力学性质.得到了系统格点的磁化强度、亥姆赫兹自由能、内能、比热等热力学量的解析表达式及其数值解,讨论了有限温度时系统的一级相变和两级相变,我们所得的数值结果在退化条件下与其它文献的结果相符.     

Cu纳米粒子化学势随粒径和温度变化规律研究

采用固体理论,导出粒子化学势的表示式.以Cu纳米粒子为例,研究了粒子化学势随粒子半径和温度的变化规律.结果表明:纳米粒子的化学势与粒子半径、原子相互作用势、温度等有关;球形纳米粒子的化学势要比平面块状金属的化学势要大,且粒子线度愈小,两者相差愈大;粒子的化学势随粒径的减小而增大.随温度升高而减小,但变化不显著.粒子线度对化学势随温度变化规律的影响很小.     

玻尔兹曼分布与费米—狄拉克分布的统一

用数值方法讨论了玻尔兹曼分布和费米-狄拉克分布,发现在一定的条件和范围内,它们是相互统一的.在研究这个统一时,有两个影响因素：化学势和温度.在温度稳定而化学势变化的情况下,在化学势远大于0时,两者差别比较大;化学势较小时,基本符合.在化学势稳定而温度变化的情况下,随着温度的增加,费米—狄拉克分布几率更接近于玻尔兹曼分布几率.     

具有长程相互作用XXZ铁磁体链的热力学性质

采用平均场Jordan-Wigner变换分析,研究外场中且具有Z方向均匀长程相互作用自旋-1/2 XXZ铁磁体链的热力学性质,得到了系统的亥姆赫兹自由能、内能、比热、磁化强度、磁化率等热力学量的解析表达式及其数值解,并讨论了有限温度时系统的相变.在退化条件下的结果与其他文献的结果相符.     

电场背景下强相互作用物质的手征相变

从具有两个味道、超出平均场近似的NJL模型出发,使用OPT方法研究了在有限温度和化学势下,匀强电场对强相互作用物质手征相变的影响.结果表明,电场的增强使夸克的有效质量和夸克凝聚减小,系统从手征对称性自发破缺相连续转变为手征对称性恢复相.电场增强导致u,d夸克凝聚的劈裂变大.随着电场增强,有效质量和夸克凝聚对化学势和温度的敏感性降低.OPT方法下得到的手征相变定性结论与平均场近似下的计算结果一致.     

早期宇宙中的化学势问题

讨论了早期宇宙中具有弱相互作用的粒子的数密度和能量密度的问题,从中看出,化学势是讨论早期宇宙热力学问题所不可缺少的一个重要参量.     

晶格Boltzmann方法中流体力的计算

晶格Boltzmann方法是起源于动理学理论和元胞自动机的介观数值模拟方法,在模拟复杂流体运动,特别是颗粒悬浮运动和多相流等领域取得了显著的成功.在计算流体与结构之间的相互作用力时,通过引入相对速度,提出了伽利略不变的动量交换法.该方法简单、精确、高效,而且与边界的几何形状无关;它只使用局部数据,方便实施并行计算和三维模拟;它具有良好的稳定性,流体力计算结果的波动非常小,甚至不需要进行时间平滑处理.在数值模拟多相流的研究中,基于热力学自由能理论计算非理想力,提出了同时满足热力学一致性和伽利略不变性的多相流模型.该模型物理清晰、易于实施,可以方便地配合不同的状态方程用于模拟各种多相流系统.化学势是驱动相分离和表达润湿性的有效途径,在进一步的研究中,借助化学势计算非理想力,提出了基于化学势的多相流模型.它在数学上等价于基于压力张量计算非理想力的模型,但是避免了计算压力张量和张量散度,获得了更高的计算效率.该模型配合化学势边界条件,可以有效地模拟润湿现象,其接触角可以通过表面化学势进行线性调节.     

弱磁场中弱相互作用费米气体的相对论修正效应

基于量子统计方法，通过考虑单粒子能谱的相对论修正且引入无自旋自由费米子的非相对论自由能，导出弱磁场中弱相互作用费米气体的自由能，给出各种温度条件下系统热力学量的解析式，详细具体地展示相对论修正对热力学性质的影响，并分析其影响机理.研究表明，与非相对论比较，相对论修正总是降低化学势，在低温下也降低总能及热容量，而在高温下增加总能及热容量；除低温下的热容量外，总能及热容量的改变比例于磁场的平方.     

乙烷汽液相平衡的Monte Carlo模拟

用恒NVT正则系综MonteCarlo方法模拟线形分子—乙烷的相平衡 ,得出化学势、温度、密度、压力等热力学数据。模拟中 ,用Widom检测粒子法算出体系的化学势。通过与实验值的比较可以看出 ,模拟结果的误差较小     

均匀重力场中弱相互作用费米气体的热力学性质

根据局域密度近似法,研究了均匀重力场中弱相互作用费米气体高于费米温度条件下的性质,得到了一些重要热力学量的一般解析表达式,分析了系统的粒子数和能量密度的空间分布规律。对均匀重力场中理想费米体系,均匀重力场中弱相互作用费米体系进行了比较,探讨了重力势场及粒子间的相互作用对体系性质的影响。     

二维玻色-爱因斯坦凝聚中平头孤立子稳定性的研究

利用静态和含时变分法研究了二维圆对称玻色-爱因斯坦凝聚中"平头"孤立子的稳定性.采用静态变分法给出了确定稳定孤立子参数的方程组,并给出了只考虑原子之间两体相互作用时稳定孤立子的振幅、宽度和化学势的解析表达式;采用含时变分法给出孤立子宽度随时间演化的微分方程和有效势能的解析表达式.结合静态和含时变分法对体系的稳定性进行分析,结果表明:在原子之间存在两体排斥和吸引相互作用时均可以形成稳定的"平头"孤立子;三体相互作用对体系的稳定性起调整作用(增强或减弱体系的稳定性);相对于三体相互作用,高阶相互作用对体系的稳定性有重要影响.     

一种基于化学势LBM多相流模型的改进方法

在基于化学势的晶格Boltzmann多相流模型中,通过引入"折合变量",提出一种改进的化学势多相流模型。对该模型的性能进行验证,结果发现:与原化学势模型相比,使用改进模型模拟的温度范围、气液两相密度比得到较大扩展,稳定性显著提高,有效地降低了虚速度的影响。该模型也能很好地符合热力学一致性和满足Laplace定律,具有较好的实用性和应用前景。     

关于相对论动体间的单纯热相互作用和Landsberg悖论

探讨了相对论热力学中所谓“动体温度”的物理意义.通过对相对运动物体间能量转移与热传递的分析,发现:如同传统热力学中那样,在相对论热力学的Planck-Einstein形式体系及Ott-Mφller形式体系中,动体温度可理解为“单纯热相互作用下热流的势”.然而由于对“功”的规定并不一致,相对论热力学中如何定义“单纯热相互作用”成了一个见仁见智的问题.相应地,导致了温度变换问题上的“升温说”和“降温说”等不同观点.实质上,它们只不过是用不同语言去描述同样的物理实际,因而是相容的.如果一贯地遵循某个形式体系,则动体间的“冷热关系”以及“单纯热相互作用”概念二者同时随参考系的选取而变.在此基础上对于Landsberg思想实验的分析表明,不存在逻辑悖论.     

乙烷汽液相平衡的Monte Carlo模拟

用恒NVT正则系综Monte Carlo方法模拟线形分子－乙烷的相平衡，得出化学势、温度、密度、压力等热力学数据。模拟中，用Widom检测粒子法算出体系的化学势。通过与实验值的比较可以看出，模拟结果的误差较小。