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鲜血与金属之荣耀 曼帅的博客

晨曦的雾霭散尽,神圣的光芒降临

 
 
 

日志

 
 
关于我

因为是历史爱好者一个,所以对周围的变化显得漠不关心(所以想法略有僵硬),因为喜爱战争机械,所以时常幻想着第n次世界大战(这···这难道就是传说中的中二么?)。因为信奉存在主义,所以一直坚信存在即有理(现在正纠结于高中历史书越来越像政治这一问题)。因为曾被唯心主义毒害,所以常表现为一种近乎狂热的自信(我就是真理!),其实内里是个十分谦逊随和的家伙。

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热力学第三定律的应用  

2010-10-27 11:11:57|  分类: 应用文 |  标签: |举报 |字号 订阅

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                       这是曼帅的课程论文

                    热力学第三定律的应用

                                                                                              曼帅

摘 要“北风卷地白草折,胡天八用即飞雪。忽如一夜春风来,千树万树梨花开……”唐代诗人岑参写下上述诗句之时,也许并没有想过这样的问题:这老天爷到底能冷到什么程度?谁知,千百年后,这竟成了困扰无数科学英才们的大问题.l906年一个来自西普鲁士的科学家对此问题进行了专门的论述,这个人就是能斯特,瓦尔特.赫尔曼.能斯特。一个貌似平凡的伟大科学家。他提出的理论就是大名鼎鼎的热力学第三定律。

关键词热力学第三定律; 起源;应用;超导技术 

作者简介:曼帅(1988--),男,天津市人,

1.       热力学第三定律的发现

稍微有一些物理学基础的人都应该知道,如果不停降温,那么,蒸汽就会凝结成水,然后冻成冰。那么,是否存在降低温度的极限呢?为此早在开尔文提出热力学温标时,就提出温度是存在下限的。也就是说,存在一个绝对的唯一的温度值,并且在达到这一临界值后温度就无法继续下降了。其实,早在1702年,法国物理学家阿蒙顿也曾提到过“绝对零度”的概念。他根据空气受热时体积和压强都随温度的增加而增加这一现象出发,计算出在某个温度下,空气的压力将等于零。这个温度用后来提出的摄氏温标表示,约为-239℃,后来,兰伯特更精确地重复了阿蒙顿实验,计算出这个温度为-270.3℃。他说,在这个“绝对的冷”的情况下,空气将紧密地挤在一起。然而他们的这个看法没有得到人们的重视。直到盖吕萨克定律提出之后,存在绝对零度的思想才得到物理学家的普遍承认。现在我们知道,绝对零度更准确的值是-273.15℃。

l699年法国科学家阿蒙顿就发明了一种温度计,他是从水的沸点开始他的测量工作的,他注意到温度与压强成正比.他得出结论:当进一步冷却空气,温度为某一确定的值时,空气的压力应改变为零.他估计这个温度为一240.此后,大约经过100年,法国物理学家盖吕萨克在查里的基础上,精确地测出气体定压膨胀系数为100/28866l837年马格努斯和勒尼奥更精确地测出气体的膨胀系数为000360.0037之间,即l/273.以此他推出最低温度为一273.这就是绝对零度的概念.

能斯特提出了热定理以及后来的OK不能达到原理后,其他许多物理学家和化学家又作了进一步的研究,并提出了相应的关于热力学第三定律的几种说法.

2.    绝对零度

自第三定律提出后科学家就开始了对其的探究,即无限的接近绝对零度的过程。为此我们也获得了不小的成功。

绝对零度表示那样一种温度,在此温度下,构成物质的所有分子和原子均停止运动。所谓运动,系指所有空间、机械、分子以及振动等运动.还包括某些形式的电子运动,然而它并不包括量子力学概念中的零点运动。除非瓦解运动粒子的集聚系统,否则就不能停止这种运动。从这一定义的性质来看,绝对零度是不可能在任何实验中达到的,但目前科学家已经在实验室中达到距离绝对零度仅五十亿分之一摄氏度的低温。所有这些在物质内部发生的分子和原子运动统称为热运动,这些运动是肉眼看不见的,但是我们会看到,它们决定了物质的大部分与温度有关的性质。 正如一条直线仅由两点连成的一样,一种温标是由两个固定的且可重复的温度来定义的。最初,在一标准大气压(760毫米水银柱,或760)时,摄氏温标是定冰之熔点为0和水之沸点为100,绝对温标是定绝对零度为0K和冰之熔点为273K,这样,就等于有三个固定点而导致温度的不一致,因为科学家希望这两种温标的度数大小相等,所以,每当进行关于这三点的相互关系的准确实验时,总是将其中一点的数值改变达百分之一度。 现在,除了绝对零度外,仅有一固定点获得国际承认,那就是水的三相点1948年确定为273.16K,即绝对零度以上27316度。当蒸气压等于一大气压时,水的正常冰点略低,为27315K(032°F),水的正常沸点为373.15K(100212°F)。这些以摄氏温标表示的固定点和其他一些次要的测温参考点(即所谓的国际实用温标)的实际值,以及在实验室中为准确地获得这些值的度量方法,均由国际权度委员会定期公布。

从上个世纪开始,人们就已经制成了能达到3K的制冷系统,并且在10多年前,在实验室里达到的最低温度已是绝对零度之上14度了,后来在1995年,科罗拉多大学和美国国家标准研究所的两位物理学家爱里克·科内尔和卡尔威曼成功地使一些铷原子达到了令人难以置信的温度,即达到了绝对零度之上的十亿分之二十度(2×10^-8 K)。而在2003912日的一次试验中更是达到了3纳开的极限温度,这一温度已远远低于布莫让星云(1k)这一人类已知的温度最低星云的温度。非常低的温度是可以达到的,而且还要以寻求阻止每一单个原子运动,就像打台球一样,要使一个球停住就要用另一个球去打它。弄明白这个道理,只要想一想下面这个事实就够了。在常温下,气体的原子以每小时1600公里的速度运动着,而在3K的温度下则是以每小时1米的速度运动着,而在20nK2×10^-8 K)的情况下,原子运动的速度就慢得难以测量了。在20nK下还可以发现物质呈现的新状态,这在70年前就被爱因斯坦和印度物理学家玻色(18941974)预见了。

3.    热力学第三定律的发展与超导技术

虽然热力学第三定律认为绝对零度是无法被到达的,但是仍然有很多科学家对此矢志不渝。更有甚者为此事业贡献了一生。在这一过程中大名鼎鼎的超导现象被我们发现了。

1908年,荷兰物理学家甘默林·昂内斯液化了最后一种“永久气体”——氦,获得了当时的最低温度:4.2K,即-268.8℃。他将水银浸泡在液氦中,希望测量在低温下水银的电阻。结果他发现,刚好在液氦沸点以下(即4.2K附近),水银的电阻突然下降一个无法测量的值。1911年,甘默林·昂内斯以“水银电阻的消失”为题,公开了他的发现,这就是超导现象。后来从们发现,除了水银之外,还有许多金属都能够在低温下出现超导现象,成为超导体。

为什么物体的电阻会接近呢?1957年,巴丁、库珀和施里弗提出了一种理论(称为BCS理论),解释了当时发现的传统超导现象。但1986年,在IBM公司苏黎世实验工作的两名科学家却发现,有些氧化物陶瓷也能够变成超导体,这些现象不能用BCS理论解释,而且其转变温度要比传统超导体更高。如何解释这种“高温超导”现象,现在还没有合适的理论。

超导是一种宏观尺度上的量子现象。它是当代凝聚态物理学和材料科学最重要的前沿研究课题,也是一门有广泛应用和巨大发展潜力的高技术,在能源、信息、交通、科学仪器、医疗技术、国防工业等领域有着重要作用。

自超导现象发现至今短短数十年间,可谓是突飞猛进:

1911 甘默林昂内斯意外地发现,将汞冷却到-268.98时,汞的电阻突然消失;后来他发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性

   1913 甘默林昂内斯在诺贝尔领奖演说中指出:低温下金属电阻的消失不是逐渐的,而是突然的,水银在4.2K进入了一种新状态,由于它的特殊导电性能,可以称为超导态

  1932 霍尔姆和甘默林昂内斯都在实验中发现,隔着极薄一层氧化物的两块处于超导状态的金属,没有外加电压时也有电流流过

  1933 荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的一个极为重要的性质

  1935 德国人伦敦兄弟提出了一个超导电性的电动力学理论

  1950 美籍德国人弗茹里赫与美国伊利诺斯大学的巴丁经过复杂的研究和推论后,同时提出:超导电性是电子与晶格振动相互作用而产生的。他们都认为金属中的电子在点阵中被正离子所包围,正离子被电子吸引而影响到正离子振动,并吸引其它电子形成了超导电流。接着,美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏和斯里弗提出超导电量子理论,他们认为:在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对,无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体,电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量,因此超导体中基态和激发态之间存在能量差,即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在,成功地解释了超导现象,被科学家界称作巴库斯理论。这一理论的提出标志着超导理论的正式建立,使超导研究进入了一个新的阶段。

  1953 毕派德推广了伦敦的概念并得到与实验基本相符的超导穿透深度的数值

  1960-1961 美籍挪威人贾埃瓦用铝做成隧道元件进行超导实验,直接观测到了超导能隙,证明了巴库斯理论。他在大量实验中,曾多次测量到零电压的超导电流,但未引起他的重视。

  1962 年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质,他提出在超导结中,电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流,这个现象称作直流约瑟夫逊效应。当外加直流电压为V时,除直流超导电流之外,还存在交流电流,这个现象称作交流约瑟夫逊效应。将超导体放在磁场中,磁场透入氧化层,这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据,使对超导现象本质的认识更加深入。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。

  70年代 超导列车成功地进行了载人可行性试验。超导列车是在车上安装强大的超导磁体,地上安放一系列金属环状线圈。当车辆行进时,车上的磁体在地上的线圈中感应起相反的磁极,使两者的斥力将车子浮出地面。车辆在电机牵引下无摩擦地前进,时速可高达500千米。

  19861 在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒,首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体,将超导温度提高到30K;紧接着,日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K

  19871月初 日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K;不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组,获得了48.6K的锶镧铜氧系超导体,并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。

  1987216 美国国家科学基金会宣布,朱经武与吴茂昆获得转变温度为98K的超导体。

  1987220 中国也宣布发现100K以上超导体。198733日,日本宣布发现123K超导体。

  1987312 中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。

  1987327 美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。

  19871230 美国休斯敦大学宣布,美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40.2K

  1987 日本铁道综合技术研究所的“MLU002”号磁悬浮实验车开始试运行

  19913 日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体。

  199110 日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平方毫米40安培,为过去的3倍多,达到世界最高水准。该研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用。这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。

  1992127 第一艘由日本船舶和海洋基金会建造的超导船大和”1号在日本神户下水试航。超导船由船上的超导磁体产生强磁场,船两侧的正负电极使水中电流从船的一侧向另一侧流动,磁场和电流之间的洛伦兹力驱动船舶高速前进。这种高速超导船直到目前尚未进入实用化阶段,但实验证明,这种船舶有可能引发船舶工业爆发一次革命,就像当年富尔顿发明轮船最后取代了帆船那样。

  1992 一个以巨型超导磁体为主的超导超级对撞机特大型设备,于美国得克萨斯州建成并投入使用,耗资超过82亿美元。

  1996 改进高温超导电线的研究工作取得进展,制成了第一条地下输电电缆。欧洲电缆巨头皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山的电力研究所的工人,共同把6000米长的铋、锶、钙、铜和氧制成的线缠绕到一根保持超导温度的液氮的空管子上。

  20014月,340米铋系高温超导线在清华大学应用超导研究中心研制成功,并于年末建成第一条铋系高温线材生产线。

  20015月,北京有色金属研究总院采用自行设计研制的设备,成功地制备出国内最大面积的高质量双面钇钡铜氧超导薄膜,达到国际同类材料的先进水平

  20017月,香港科技大学宣布成功开发出全球最细的纳米超导线。

  20091010,美国科学家合成物质(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+,将超导温度提高到254K,?距离冰点仅19,对于推广超导的实际应用具有极大的意义.

  目前,我国超导临界温度已提高到零下120153K左右

4.       热力学第三定律的应用

   将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时,高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流,这一高频涡流与外磁场相互作用,使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。在合适的空间配制下,可使洛沦兹力的方向与重力方向相反,通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等,即可实现电磁悬浮。即磁悬浮。

    对于磁悬浮技术的应用,主要是磁悬浮列车。1825年世界上第一条标准轨铁路出现以来,轮轨火车一直是人们出行的交通工具.然而,随着火车速度的提高,轮子和钢轨之间产生的猛烈冲击引起列车的强烈震动,发出很强的噪音,从而使乘客感到不舒服.由于列车行驶速度愈高,阻力就愈大.所以,当火车行驶速度超过每小时300公里时,就很难再提速了. 如果能够使火车从铁轨上浮起来,消除了火车车轮与铁轨之间的摩擦,就能大幅度地提高火车的速度.
但如何使火车从铁轨上浮起来呢 科学家想到了两种解决方法:一种是气浮法,这是一种类似两栖登陆艇的设计,即使火车向铁轨地面大量喷气而利用其反作用力把火车浮起;另一种是磁浮法,即利用两个同名磁极之间的磁斥力或两个异名磁极之间磁吸力使火车从铁轨上浮起来.在陆地上使用气浮法不但会激扬起大量尘土,而且会产生很大的噪音,会对环境造成很大的污染,因而不宜采用.这就使磁悬浮火车成为研究和试验的的主要方法.

磁悬浮列车是现代高科技发展的产物.其原理是利用电磁力抵消地球引力,通过直线电机进行牵引,使列车悬浮在轨道上运行(悬浮间隙约1cm~10cm).其研究和制造涉及自动控制,电力电子技术,直线推进技术,机械设计制造,故障监测与诊断等众多学科,技术十分复杂,是一个国家科技实力和工业水平的重要标志.它与普通轮轨列车相比,具有低噪音,无污染,安全舒适和高速高效的特点,有着"零高度飞行器"的美誉,是一种具有广阔前景的新型交通工具,特别适合城市轨道交通.磁悬浮列车按悬浮方式不同一般分为推斥型和吸力型两种.磁悬浮列车具有如下优点:

速度快。其最高时速达500公里,从而在列车行驶时间上与中短程客运飞机可一比高低,且加速和制动时间较短,可解决中、长距离国内客运和贵重、特急货运。

安全性好。尽管速度快,但由于车体套在线路上,故没有颠覆的危险。由于根据线形电机原理,马达设在线路上,所以也没有同一线路上两列车因速度不同发生追尾或对撞的危险。

经济性好。尽管它很快,但由于无轮轨摩擦,所以耗能比普通高速火车少1/3。其造价与普通高速铁路几乎相等,但由于无轨摩擦,所以维修费用低。

对环境有利。由于它既无轮轨摩擦,又无马达轰鸣,因此当它以时速250公里经过市区或人口密集区时几乎听不到声音,而当时速高于300公里时,它与空气摩擦产生的噪音也只有时速160公里的普通火车的一半。更重要的是,它耗能不仅低于普通火车,更大大低于汽车和飞机。在驱动功率相同时,其耗能仅为汽车的1/3,飞机的1/4,而降低能耗是环境保护的最主要问题。

节省建设用地。磁悬浮铁路不受地形、地貌影响,它可以在坡度为10%的线路上行驶,而且曲线半径比普通高速铁路小,因此比普通铁路要节省建设用地。

磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类.常导型也称常导磁吸型,以德国高速常导磁浮列车transrapid为代表,它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起,悬浮的气隙较小,一般为10毫米左右.常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400500公里,适合于城市间的长距离快速运输.而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型,以日本MAGLEV为代表.它是利用超导磁体产生的强磁场,列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用,产生电动斥力将列车悬起,悬浮气隙较大,一般为100毫米左右,速度可达每小时500公里以上.这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标,德国青睐前者,集中精力研制常导高速磁悬浮技术;而日本则看好后者,全力投入高速超导磁悬浮技术之中. 2006817日上午,在大连世界博览广场举办的“2006年中国国际专利技术与产品交易会上,中华01”1/10槽轨永磁悬浮微缩路-车格外引人注目。这标志着具有中国自主知识产权的新类型磁悬浮列车的出现。也就是磁悬浮列车的第三种类型——永磁型。
德国的常导磁悬浮列车 
    常导磁悬浮列车工作时,首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力,与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起.在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下,使车轮与轨道保持一定的侧向距离,实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向.车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米,是通过一套高精度电子调整系统得以保证的.此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关,所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态. 
    常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理.车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就象是同步直线电动机的励磁线圈,地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用,它就象同步直线电动机的长定子绕组.从电动机的工作原理可以知道,当作为定子的电枢线圈有电时,由于电磁感应而推动电机的转子转动.同样,当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时,由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就象电机的"转子"一样被推动做直线运动.从而在悬浮状态下,列车可以完全实现非接触的牵引和制动. 中国第一条磁悬浮线路就是采用此种技术。
日本的超导磁悬浮列车 
    超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性.超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成,它不仅电流阻力为零,而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流,这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁. 
    超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备,而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧,车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组,感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成.当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时,就会产生一个移动的电磁场,因而在列车导轨上产生磁波,这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力,正是这种推力推动列车前进.其原理就象冲浪运动一样,冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的.与冲浪者所面对的难题相同,超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题.为此,在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器,根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式,精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行. 
    超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电,并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动,实现非接触性牵引和制动.但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外部动力电源无关,当列车接近该绕组时,列车超导磁铁的强电磁感应作用将自动地在地面绕组中感生电流,因此在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力,从而将列车悬起,并经精密传感器检测轨道与列车之间的间隙,使其始终保持100毫米的悬浮间隙.同时,与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力,保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶.
 

 

 [参考文献]

[1] 上海轨道交通俱乐部 http://metrofans.sh.cn/forumdisplay.php?fid=50

[2] 中国磁悬浮网 http://www.cixuanfu.com

[3] 山东省磁悬浮轴承工程技术研究中心http://amb.sdu.edu.cn

[4] 超导现象的理论解释 http://www.qiji.cn/eprint/abs/3163.html

[5] 爱因斯坦和超导物理学 http://www.qiji.cn/drupal/node/5329

[6] 阉康年著,《热力学史》,济南,山东科技出版社,1989

[7] K.门德尔松,《绝对零度的探索》,北京,科学普及出版社,1987

[8]] 张龙,《绝对零度的思考》,大学化学-20083

          

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