熱力學與統計物理第1頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六老師任課：陳培鋒光學與電子信息學院光電工程系pfchen0413/p>

3位研究生助教老師第2頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六國內最早的高功率激光器第3頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六獨創的多頭激光毛化技術第4頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六(陀螺轉子)微小擾動角測量第5頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六老師的特點“光電”“工程”第6頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六教材《熱學》,范宏昌編著,北京:科學出版社,2003,普通高等教育“十五”國家級規劃教材《統計熱力學》,梁希俠,班士良編著,北京:科學出版社,2008,普通高等教育“十一五”國家級規劃教材第7頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六熱學與牛頓力學牛頓力學:質點和質點組的機械運動熱學:微觀粒子組成的宏觀物體的熱運動熱學：研究熱運動的規律及其對物質宏觀性質的影響，以及與物質其他運動形態之間的轉化規律。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運動。按照研究方法的不同，熱學可分為兩門學科:

熱力學和統計物理學。從不同角度研究熱運動，二者相輔相成，彼此聯系又互相補充。第8頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六熱力學是研究物質熱運動的宏觀理論。從基本實驗定律出發，通過邏輯推理和數學演繹，找出物質各種宏觀性質的關系，得出宏觀過程進行的方向及過程的性質等方面的結論。具有高度的普適性與可靠性。但因不涉及物質的微觀結構，而將物質視為連續體，故不能解釋物質宏觀性質的漲落。

統計物理學是研究物質熱運動的微觀理論。從物質由大量微觀粒子組成這一基本事實出發，運用統計方法，把物質的宏觀性質作為大量微觀粒子熱運動的統計平均結果，找出宏觀量與微觀量的關系，進而解釋物質的宏觀性質。在對物質微觀模型進行簡化假設后，應用統計物理可求出具體物質的特性；還可應用到比熱力學更為廣闊的領域，如解釋漲落現象。第9頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六熱力學和統計物理的相互聯系與區別？熱力學和統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？組成宏觀物體的大量微觀粒子的一種永不停息的無規運動。熱學的結構和必需第10頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六熱力學還記得多少？熱力學是一門什么樣課？如果自由選擇，有人選擇本課程嗎？與專業有關嗎？與生活有關嗎？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11頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六人類知識傳承的需要與人類生活結合最緊密的物理哲學、理論上的意義熵—時間的方向等哲學問題的解釋非線性非平衡態復雜系統的進化本專業的意義人類進步的意義第12頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六學習熱統的難其實是理論物理普遍的難學習理論物理的途徑（原作發表于水木清華BBS，作者不詳）但凡愛看武俠的人都知道練武功有內功和招式，其實學物理也是大同小異。物理所對應的內功就是數學。學物理應當從普通物理入手，至于四大力學，雖然是物理的一個核心，但是我不建議初學物理的人要在四年之內學完它們，因為這四大力學可以說是高深莫測，而且就算勉強學完了也不會精通。對于物理的學士而言，我認為精通經典力學和電動力學之一已經是很不容易的事了。如果打算繼續學物理，那么就得學習物理學中最困難的量子力學和統計力學了。這兩門（實際是一門）學問可以說是高深莫測。第13頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六問題一、為什么理論物理會比較難學習理論物理：理論力學、電動力學、量子力學、熱力學和統計物理工程物理：理論力學、材料力學、流體力學、塑性力學理論物理對于工科專業的學習是必要的嗎？理論物理學習抽象上好課！爭取學期末改變看法！熱學教材的選擇—可以不必考慮應試討論的教學方式第14頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六教材和需要的基礎知識熱學統計需要哪些基礎知識呢？理論力學（或至少牛頓力學）概率論基礎量子力學第15頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六問題二、為什么光電子要學習熱學1、不論光子還是電子系統都是大量粒子系統2、原子能級、能帶的分布規律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太陽能電池固體光源第16頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六氨分子微波激射器包含哪些統計問題？第17頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六最簡單的傳熱問題與本專業的關系大功率光電半導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18頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六橫流CO2激光器散熱第19頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六氣體激光器放電管板放電結構→針板放電結構穩定的均勻放電奠定了高功率和實用化的基礎第20頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六問題三、物理學與人類進步物理學是研究物質運動最普遍、最基本規律的科學17-19世紀，物理學經歷了三次大綜合，建立了牛頓力學、熱力學和電磁理論力學+熱力學→工業革命電磁理論→發電機、電動機、電報、電話相對論+量子力學→航天、微電子、光電子、生物、信息技術第21頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六熱學發展的動力熱學起源于人類對冷熱現象的探索中國戰國時期提出五行學說，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。熱力學研究要求是統計物理最初的起源，熱力學研究的動力則是來源于“動力”的追求第22頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六英國工業革命歷程--紡織工業1733年鐘表匠凱伊發明飛梭，大大提高了織布效率。1764年-1767年詹姆斯.哈格里夫斯發明珍妮紡紗機。1768年凱伊又發明了水力紡紗機。1779年克隆普敦結合兩種紡紗機的優點發明了騾機(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，實現了紡織行業的機械化生產，紡織的動力依靠水力1769年詹姆斯.瓦特根據前人的成果，成功發明了單向蒸汽機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23頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六英國工業革命歷程--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年開始架設鐵橋1814年史蒂芬遜發明蒸汽機車1825年于英國的第一條鐵路上試車成功。1844年，英國鐵路已經長達2235英里。第24頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六動力的使用極大解放了對人力的依賴從生產技術方面來說，工業革命使工廠制代替了手工工場，用機器代替了手工勞動；從社會關系來說，工業革命使依附于落后生產方式的自耕農階級消失了，工業資產階級和工業無產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階級？第25頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六熱力學與人類的命運水力、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，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）核聚變學習物理理論的重要性----綜合分析的能力--第26頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六包菜從地頭的2分到零售的1.6元農民、經銷商、零售商都沒有賺到錢利潤去了哪里？資源的重要性！可持續發展生活方式和價值觀“桑迪”、北方大雪……第27頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六根據最近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28頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六解決問題的途徑新能源？效率提高？熱機效率提高的途徑—創新與熱力學政策的作用----鼓勵創新年輕一代的責任與風險太陽能、節能光源、約束聚變等需要我們對熱、能的新認識和發展第29頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六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”的難體會節省“能源”的困難體會新能源的重要第30頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六激光核聚變

利用高功率激光束作用于由氘、氚或氘-氚制成的靶丸，使氘、氚核發生聚合，同時釋放出巨額核能量的技術。因為整個聚變過程是在極短時間內完成，氘氚燃料丸來不及膨脹，因此又稱慣性約束聚變。第31頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六在宇宙中，核聚變是產生能量的主要機制。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核燃料產生的熱量相當于2×107kg煤產生的熱量。海水中蘊藏著大量的氘、氚，數量約為20萬噸，所以核聚變技術能為人類提供幾乎是用之不盡的能源。第32頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六1億度左右的高溫參與反應的粒子密度要足夠高并能維持一定的反應時間，即‘nτ’值要達到1014

（秒/厘米3）激光聚變（ICF）：

反應時間t-10-9秒，密度n~1023/厘米3

激光核聚變反應的條件

第33頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六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34頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六神光-I裝置的兩路激光系統

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

第35頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六“神光Ⅱ”裝置的八路激光系統(20008beams/f200mm,6KJ/1w~2.5KJ/3w/1ns)

第36頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六神光-Ⅲ激光裝置靶室光路

第37頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六美國“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“常規武器”使用。2.模擬超新星、黑洞邊界、恒星和巨大行星內核的環境。3.借助NIF制造類似太陽內部的可控氫核聚變反應，最終用來生產可持續的清潔能源。第38頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六1999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%是由發達國家產生，人口占75%的發展中國家產生25%。第39頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六《京都議定書》１９９７年１２月，《聯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個國家和地區的代表通過了旨在限制發達國家溫室氣體排放量以抑制全球變暖的《京都議定書》第40頁，共45頁，2023年，2月20日，星期六《京都議定書》減排規定到２０１０年，所有發達國家二氧化碳等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定在１９９０年水平上。議定書同時允許愛爾蘭、澳大利亞和挪威