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热液矿床中降压的控岩控矿机理及其深部找矿启示
热度 1 Michaelhu 2019-12-16 12:01
20191213-17日参加了在南京召开的“第九届全国成矿理论与找矿方法学术讨论会”。在会上做了这个报告,相当于是之前认识的完善和补充。一些认识和思考: 在热液(铀)成矿过程中,(1)物质的相变线及端点控岩控矿。气-液相变线及端点控矿(即水相变控矿理论)。液固相线及端点控成矿母岩的成岩和变形。(2)降压是建立成矿区域分带和时间分期之间的纽带。降压是成矿的必要条件,是压力下降、升温、聚水、体系破坏的统一过程,引起化学反应和一、二级相变,有渐变、突变。(3)深部找矿方向。主攻方向为红盆构造体系与火盆(体)构造体系相交部位。这也是相山和中国东部热液型铀矿找矿主攻方向。 15专题-胡宝群-热液矿床中降压的控岩控矿机理及其深部找矿启示.pdf N20191216胡宝群 热液矿床中降压的控岩控矿机理及其深部找矿启示.pdf
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集太阳能捕获和存储于一体的新设备
zhpd55 2019-11-21 21:55
集太阳能捕获和存储于一体的新设备 诸平 The hybrid device consists of a molecular storage material (MSM) and a localized phase-change material (L-PCM), separated by a silica aerogel to maintain the necessary 据当地时间 2019 年 11 月 20 日来自美国 休斯顿大学 ( University of Houston ,简称 UH )的消息,该大学的研究人员已经开发出就可以有效地捕获太阳能,又可以存储太阳能的一种新设备。这种混合装置由分子存储材料( molecular storage material 简称 MSM )和局部相变材料( localized phase-change material 简称 L-PCM )组成,并通过硅胶气凝胶分隔以保持必要的温差。这种新设备为太阳能的广泛应用提供了希望。 与依靠光伏技术直接发电的 太阳能电池板 和 太阳能电池 不同,混合动力设备从太阳中吸收热量并将其存储为 热能 。它解决了阻碍太阳能的更大规模使用过程中的一些问题,尽管阳光时间有限,阴天和其他限制因素仍为人们提供了全天候使用 太阳能 的途径。 这项工作在 11 月 19 日发表在《焦耳》( Joule )杂志的一篇论文中进行了描述,结合了分子能量 存储 和潜热存储,以生产出集成的捕获和 储藏设备, 可以实现 24 小时全天候运行。研究人员报告说,小规模运行的捕获效率为 73 %,大规模运行的捕获效率高达 90 %。 研究人员说,晚上储能回收率高达 80 %,白天的回收率甚至更高。 UH 机械工程副教授 Hadi Ghasemi ,也是该论文的通讯作者,他说该论文的高效捕获部分归因于该设备能够捕获阳光的全部光线(不受波长限制),并将其收集用于立即使用并将多余的部分转化为分子能量存储。 该器件作为分子存储材料,是用降冰片二烯 - 四环烷( norbornadiene-quadricyclane )合成的,该化合物是一种有机化合物,研究人员说该有机化合物显示出高的比能和出色的热量释放,同时在延长的存储时间内保持稳定。 Hadi Ghasemi 表示,可以应用相同的概念而使用不同的材料,从而使性能(包括工作温度和效率)得到优化。 卡伦杰出大学( Cullen Distinguished University )化学讲座教授 T. Randall Lee (上述论文的一位通讯作者,也是 UH 德克萨斯州超导中心的首席研究员)说,该设备通过多种方式提高了效率:太阳能以分子形式而不是以热量的形式存储,不会随着时间的流逝而造成热量散逸,集成系统也因为不需要通过管道输送存储的能量,所以减少了热损失。 T. Randall Lee 说: “ 白天,太阳能热能可以在高达 120 ℃的温度下收集。到了晚上,当太阳辐射很少或没有时,分子存储材料将收集到的能量收集起来,将其从能量较低的分子转换为能量较高的分子。 ” 他说,这使储存的能量在夜间比白天在更高的温度下产生热能,即使在太阳不发光的情况下,也提高了可利用的能量。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。 Varun Kashyap , Siwakorn Sakunkaewkasem , Parham Jafari, Masoumeh Nazari , Bahareh Eslami , Sina Nazifi , Peyman Irajizad , Maria D. Marquez , T. Randall Lee , Hadi Ghasemi. Full Spectrum Solar Thermal Energy Harvesting and Storage by a Molecular and Phase-Change Hybrid Material,Joule(2019). DOI: 10.1016/j.joule.2019.11.001 New hybrid device can both capture and store solar energy Summary Efficient solar thermal energy harvesting and storage are critical steps toward utilizing the abundant solar irradiation that reaches the surface of the earth. Current solar thermal approaches rely on costly high optical concentration systems, leading to high heat losses by hot bulk materials and surfaces. At the same time, the energy stored in the form of thermal energy has inherently large temporal losses. Here, we combine the physics of molecular energy and latent heat storage to introduce an integrated, simultaneous harvesting and storage hybrid paradigm for potential 24/7 energy delivery. The hybrid paradigm utilizes heat localization during the day to provide a harvesting efficiency of 73% at small scale and ~90% at large scale. Remarkably, at night, the stored energy by the hybrid system is recovered with an efficiency of 80% and at a higher temperature than that of the day, in contrast to all of the state-of-the-art systems.
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[转载]研究实现磁场对氢键无序-有序相变的调控
redtree 2019-7-27 22:26
研究实现磁场对氢键无序-有序相变的调控 作者:马怡妮娜等 来源:PRL 发布时间:2019/7/17 13:49:33 氢键是一种以氢原子为媒介的化学键,广泛存在于气态、液态和固态物质中。在一些含有氢键的晶体中,随着温度的降低,热涨落被抑制,氢键集体发生动态无序到静态有序的相变,同时伴随着晶体结构和对称性的变化,并可能产生铁电或反铁电有序。通常,氢键无序-有序的相变过程对外加磁场不敏感,因此,人们难以利用磁场来有效地调控氢键。近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室孙阳研究组在磁场调控氢键研究方向取得进展,成功地在一类金属-有机框架材料中实现了磁场对氢键无序-有序相变的调控。 金属-有机框架(MOF)是一类无机-有机杂化材料,由金属离子与有机官能团相互链接,共同构筑长程有序的晶态结构。金属-有机框架材料由于在能源、催化、储氢、吸附、环保等多个领域具有重要应用而受到广泛关注。近年来,孙阳研究组开展了金属-有机框架的磁电性质的研究,取得了一系列创新性成果:发现了金属-有机框架中磁化强度共振量子隧穿效应 和共振量子磁电耦合效应 ,率先报道了金属-有机框架中的磁电耦合效应 等。 在前期工作基础上,博士生马怡妮娜利用研究组自主研制的电容法热膨胀计精确测量了几种钙钛矿结构ABX3金属-有机框架在磁场下的热膨胀效应。在这些钙钛矿MOF中,A位的有机团簇与B位甲酸根中的氧原子形成氢键以稳定在框架中。在高温时,热涨落使得氢键处于动态无序的状态;随着温度降低,氢键集体发生无序-有序相变。通过热释电的测量,研究确定了氢键的有序分别在钙钛矿Fe-MOF和Co-MOF中诱导出反铁电和铁电有序。热膨胀的实验结果表明,氢键的无序-有序过程伴随着晶格发生了显著的变化,导致了在相变处具有巨大的热膨胀系数,比传统的无机氧化物铁电体高一个数量级。当在降温过程中施加一个磁场,氢键无序-有序的相变温度会发生明显的移动。对于低温下铁电有序的Co-MOF,外加磁场驱动氢键无序-有序相变温度向高温移动;与此相反,对于反铁电有序的Fe-MOF,磁场驱动相变温度向低温移动。这些实验结果清晰地表明,磁场可以有效地调控金属-有机框架中的氢键无序-有序相变。其物理机制来源于磁性离子在外加磁场下通过磁弹性耦合产生局域的晶格畸变,该畸变使得氢键的平行取向(铁电有序)具有更低的能量,而反平行排列(反铁电有序)的能量更高。因此,在外加磁场下铁电有序相更加稳定,需要更高的热涨落来破坏氢键的有序。这一发现为磁场调控氢键提供了新的思路。 上述研究成果发表在Physical Review Letters(122, 255701 (2019))上。该工作得到了国家自然科学基金、科技部和北京市等项目的资助。(来源:中国科学院物理研究所) 相关论文信息: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.255701 钙钛矿金属-有机框架 M(HCOO) 3 (M= Fe, Co)的晶体结构
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科学界也犯愁如何解释极寒区居民古老的保温冰屋
热度 1 kiwaho 2019-7-6 07:05
时值盛夏,令我不禁念叨:若是能有个冰屋避暑该多凉爽。 加拿大北极圈生活着一族地球上最耐冻的--Eskimo爱斯基摩人。当然那是过去的称谓,现在流行政治正确,改称为:Inuit,中译为因纽特人。 先见识一下千多年前当地人的房屋: 这类房屋,英语有个名词指代:igloo。看起来很酷冷,但保温效果与中纬度地区的一般房屋,其实不差上下,甚至还要好些。 随着科技发展,如今冰屋也用上电了: 在长年零下几十度的北极,只要全球气候不再升温,这样的冰屋经年住下去是没问题的。 不像我们把+25度,当作人体感觉最舒适的环境温度,当地人觉得室内温度+15度,才是最棒的。 那么问题来了,零度以上化冰是常识,为何igloo的室内温度远超 熔点 或融点,仍安然无恙呢? 别景仰科学家们既可上九天揽月,也可下五洋捉鳖,其实,官科至今仍很尴尬,无法给出理论界一致认可的科学解释。 实践先于理论,存在就是合理。因纽特人即便不懂科学,但求生的本能,迫使他们经过长期实践,终于探索出来这个独特的住宅保温方法。 形势比人强。在那样极寒的地方,就算知道温带地区砖瓦构造的民宅,也无法本地化生产砖瓦。甚至我们习以为常的土,都冻得比钢还硬,根本没法大量挖来用。唯一可用的建筑材料,就是当地随手可得的冰块和积雪。 这种谜一般存在的保温法,也应证了一个哲理:天无绝人之路!只要有 求生欲 ,凭直觉勇敢闯一闯,总会找到上天留给人类的一条生路。 别抱怨科学家了,他们也是人,这宇宙辣么复杂,哪能啥都懂,况且他们也不生活在那样的极寒地区。难道没有科学家给出解释,遇到大自然的磨难就坐以待毙? 顺便嘚瑟一下,据人类学家研究,因纽特人有可能来自几千年以前的古中国。嘿嘿,果若如此,这将再次应证: 厉害了,我的中华民族 ! 看似简单的水,实则复杂得 相态百出 ,人类至今都没有完全搞懂跟水有关的雷电、降雨等现象。所以,以后形容某人水平差,不要随便用词“ 水货 ”,那是极大的奉承哟,上善若水嘛! 尽管酱紫,还是有些睿智的科学家,大胆给出了解释 -- PeTa效应。虽说并未得到学界一致认同,抑或被贬为“水货”民科,但至少我认为该解释是靠谱的。 以色列科学家Mark E. Perel'man,和法国工程师Vitali A. Tatartchenko,早在30多年前就发现了一种现象:在实验室特定条件下,水蒸气相变为液态水时,可释放大量近红外至远红外的光子。这一研究成果,经同行评审后,早已联名发表。 近年来,前述共同研究者之一的法国人,摘取两人姓氏各两字母,定义了专有术语PeTa效应,尝试用其解释了igloo的保温原理: 室内15度下,人体辐射光子在冰墙面内来回反射,也有少部分光子被墙面吸收,但能量不足以融化冰面;外墙面温度零下几十度,大温差虽可将光子热量传出去,但室内人体呼出的水蒸气,碰到墙面就会凝华,这个相变过程会释放大量热红外光子,抵消了冰墙耗散出去的热量。所以,冰屋保温效果相当好,前提是室内要么有人在,要么放一盆水,且家具或人与墙面要保持一定距离。 这个解释的关键是:冰墙将附近水蒸气凝华时,没有或者仅少量以凝结潜热被传导到室外,大部分以光子形式回馈室内! 大跨度的 学科交 叉总是具有挑战性, 热力学 原教旨,和经典 光学 参合到一块,目前官科思维尚未准备好。但这个客观物理现象,偏偏仅从基于熵焓的热力学无法诠释,而辅以光学解释,则似乎很完美。大伙儿觉得这个解释可信吗?反正我是信了,而且我还触类旁通,用别的例子作旁证: 我记得在几十年前冰箱刚入百姓家时,蒸发器表面常常有一层霜甚至冰疙瘩,未出现这个现象之前,冰箱冷藏冷冻效果很好,之后放进去的食物,温度始终降不下去。找商家给个说法,人家说没毛病,找个铲子将霜或冰刮下来就好了。回家一试果然灵验,所以之后经常不得不手动除霜了。若干年后,电冰箱自动除霜功能成了标配。 脑洞大些、大些、再大些:要是将那个老式冰箱做得房子那么大,等蒸发器表面结冰了,搬进去住下来是不是爽歪歪?哈哈! 其实,我的旁证跟igloo的保温原理本质上一致。只不过,我的例子有一个前置过渡阶段,这期间食物蒸发的水汽,凝结或凝华到铜/铝质蒸发器表面时,没有或很少释放光子,大部分潜热被内部流动的氟利昂直接带出去了,因为金属材料散热效果极好,光子外射没必要。一旦霜或冰层累积足够厚度后,冰层的热传导率比金属陡降百倍以上,相变潜热的释放就得改道--光子辐射。而在密闭空间,这就相当于能量回馈,所以保温效果自然就体现出来了。 题外话 同理,天上的积雨云里,压根就不存在一大块金属冷凝板,可人家雨还是哗啦啦往下落。咋回事?潜热去哪啦?答案也在PeTa效应里,大部分潜热以光子的 物质形式 ,沉入浩渺太空,永不回头,从而冷却地球。顺便感恩大自然,“故意”留出了 大气窗口 ,使得波长8至13微米潜热光子,有了通往宇宙的外泄口。 地面每平方米的水面,年平均消耗太阳能功率115瓦特用于蒸发,对应稍微滞后的深空光子冷却功率40瓦特。这段表述中的功率,其实应是“热率”,只因后者尚无经典定义而借用前者。 明白了这个道理,再看看闹得人心惶惶的全球变暖,原来是现代工业化造的孽,使得全球湖泊、河流、湿地大幅减少,光子冷却下降了不少。据有关研究报告,百年来减少的面积相当于地球陆地面积的6%以上。而中国的经济崛起,这个锐减百分比更高,黄河流域的大面积萎缩更是惊人。 对策 有啦: 1、如果你住在有院子的地方,建议你把院子改造成几寸深的浅水池,灌满水让老天爷蒸发。如果所在地降雨量与蒸发量大体相等,一般只灌一次水就够;如果太旱,可打井抽水或用自来水经常灌一灌。 2、尽快推广我的 突破性发明 :“基于大面积 伪湿地 的太阳能--盐差渗透能联动新能源”。一举多得的创新项目,既帮地球降了温,又可收获渴求的清洁能量:30度电/平方米池面/年。甚至可辟出一部分池面,用太阳蒸馏获取可饮用水;或在类似哈尔滨那样较冷的地区,在采收渗透能量的同时,获取天然清洁冰。 3、如果你不满足于 大院子 拿来灌水做公益,可以一箭双雕,考虑我前述的太阳能--渗透能联动新能源方案。此时,浅池里不再灌淡水,而是比海水还要咸几倍的卤水,注意池底及周墙防漏,以防土地盐碱化。 这里再用大白话简介联动原理: 在盐差渗透单元,井里来的淡水,隔着膜,强力挤进卤水一侧的活塞空间,在活塞吃力(Retardation)时,即便数百大气压仍能推得动。在发电的同时,卤水逐渐变成“稀溂霖”乏液;没劲后倒入大水池,让太阳“克霖炖”按天然节奏浓缩。达致平衡时,发电后变稀的池液,在不停的蒸发下变浓,从而基本维持恒定浓度。 若天气不给力,只要池面蓄液足够多,且活塞后级配备 自动无级变速箱 ,这个池子就可发挥大规模能量储存功能,比任何电化学电池储能经济得多。就算太阳“休假”很长时间,没准用几天电后,池液浓度降低几倍,变速箱还能稳定应付。 本质上,太阳能只不过被“ 走私 ”到盐差再生里去罢了。 保守估计,一亩地的池子,年平均可发电12000多度电,虽比光伏少些许,但低成本优势凸现,同时还帮地球散掉大量的热,为人类可持续发展作出了贡献,这比抛荒或拿去种庄稼强的多。 收了,来句口号撂笔: 保护环境,人人有责,从我做起,从现在做起! 参考文献: 1、PeTa effect: M. E. Perel’man and V. A. Tatartchenko, “Phase Transitions of the First Kind as Radiation Processes,” Physics Letters A, Vol. 372, No. 14, 2008, pp. 2480-2483. http://dx.doi.org/10.1016/j.physleta.2007.11.056 2、 Cloud Power - Centro Fermi 3、盐差“发条”发动机有望研制成功—我的新战场 http://blog.sciencenet.cn/blog-2339914-1102002.html 4、中国社会科学院: 爱斯基摩起源之谜及其考古学研究 5、爱斯基摩人 https://baike.baidu.com/item/%E7%88%B1%E6%96%AF%E5%9F%BA%E6%91%A9%E4%BA%BA/187090 6、我的配套无级变速箱发明介绍: 老司机判: 自动波手动波,哪个波肉,哪个波劲?
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引起相变的无序结构域(IDRs)怎么预测?跟踪热点,提升文章档次!
chen7qi 2018-9-26 11:03
蛋白研究过程中,一般认为氨基酸的序列决定了蛋白的结构,结构决定功能(一般指蛋白的三维结构)。然而,近50年的研究中,有一种没有特定三维结构的蛋白不断被研究人员发现,由于这类蛋白无法折叠成稳定的三维结构而称为固有无序蛋白(intrinsically disordered regions,IDRs)。这类蛋白虽然缺乏稳定结构且高度可变,但是研究却发现他们在生物体内行驶着重要的生物学功能。 尤其是最近 相变 频繁登上CNS主刊,越来越多认识到IDRs在 相变 中的重要作用。 2018 Cell系列相变最强综述,未来已来,你在哪? 相位分离在多种细胞过程中起作用,包括形成经典的无膜细胞器、信号复合物、细胞骨架和许多其他超分子组装。 相位分离的概念为理解序列简并(低复杂性)和蛋白质无序区域的功能提供了新的研究方向。 越来越多的证据表明,相变和无膜细胞器的失调在蛋白聚集相关的人类疾病中发挥关键作用。 理解蛋白质相位分离背后的物理原理和分子互作机制可促进新型生物材料的研发。 IDRs的存在,使得蛋白更容易形成液滴状,诱发相变生成和调控的发生。还在做经典生物调控的你,如果能关联下 相变 ,可能既能更好的解释细胞中的调控作用(毕竟细胞不是我们平常见到的溶液,其极度粘稠的特性诱发不同的调控规则),又可以跟踪热点,提升下文章档次。 相变IDRs预测 我们推荐一款工具, MetaDisorder (http://iimcb.genesilico.pl/metadisorder/),一个整合了多种meta-method方法的蛋白无序预测平台,操作简单, 只需2步 ,就可以预测研究的目标蛋白是否有可能参与相变,再决定是否进行后期的验证。 其使用方式如下图: 按照格式要求输入氨基酸序列后,点击 submit ,跳转结果页面,点击 Graphicial format 查看图形可视化的结果,点击 Simple text format 查看文本化的结果。 可视化结果仅展示了4种MetaDisorder相关的结果,关于其它多种预测算法的结果点击 右侧灰色图例 显示。 MetaDisorder由于用到的方法多,运行会比较慢。如果特别着急,也可以使用下面的在线分析工具 DISOPRED (http://bioinf.cs.ucl.ac.uk/psipred/?disopred=1),这是综合评估单款最优的预测工具。 用户可以在线提交蛋白质序列,执行特定的预测,并可通过邮件接收预测结果。这样可以很方便地得到一个蛋白质序列的非结构区域信息,能够为蛋白质特征分析提供更多的信息。工具的使用方法在 Help Tutorials 页面有详细的图文介绍。 除了在线分析平台,DISOPRED也有软件版,供大批量蛋白结构的预测(软件下载地址:http://bioinfadmin.cs.ucl.ac.uk/downloads/DISOPRED/)。一般下载使用最新版 DISOPRED3.16.tar.gz 。 如果你的目标蛋白正好有这么一段IDRs,可以试试检测是否有 相变 的存在。如果对相变不熟,还是先建议阅读 2018 Cell系列相变最强综述,未来已来,你在哪? 。 关于IDRs,如果还想了解更多,请继续阅读。 IDRs的研究历史 随着IDRs不断被发现,人们对其功能有了深入了解。IDRs在调节转录、翻译、细胞信号转导、蛋白质磷酸化、小分子存储,以及对大的多蛋白复合体(如细菌鞭毛及核糖体)自组装的调控等各方面都发挥着重要作用。 如我们熟知的DNA结合转录因子(TF),其激活结构域(activation domain, AD)中便包含了固有无序化的低复杂序列结构域,在真核生物基因转录阶段起着至关重要的作用。在真核生物中,大约有三分之一的蛋白已被鉴定包括长度超过30个残基的无序区域,且有75%的哺乳动物信号蛋白存在无序区域。 同时IDRs也是许多 疾病 相关的位点,由于在编码无序区发生的染色体异位依然能保证折叠结构域的完整性,从而会产生功能异常的融合蛋白,引发疾病。 可见IDRs是真核生物蛋白质组中的重要组成部分,并在生命体的生长发育各个阶段起到重要的调控作用。对这类蛋白质的结构、功能、进化特征的认识和蛋白无序区域的预测,有助于我们更深层次地理解无序蛋白质的功能及其参与重要生理病理过程的分子机制。 如果预测到这些IDRs的存在,那么就可以对感兴趣的突变和相互作用进行建模,以了解它们如何影响蛋白质结构和相变发生,并确定哪些结构域可能适合于进一步实验调查。 1990-2014年,PubMed中关于固有无序/非折叠蛋白报道的数量 (在PubMed中可通过输入`intrinsically disordered`, `intrinsically unstructured`, `natively unfolded`, `intrinsically unfolded and intrinsically flexible`等进行搜索) IDRs预测方法 由于固有无序蛋白结构的不稳定性,很难通过实验手段使他们纯化结晶以得到可靠的实验数据,尤其是大规模地进行无序蛋白质结构测定更是十分困难。因此,各种IDRs预测软件快速发展起来,并通过每两年举办一次的蛋白质结构预测比赛(critical assessment of structure prediction,CASP)来评估各种预测软件的准确率。从CASP5开始加入了对无序蛋白质的预测,目前已经举行到CASP12(2016年),CASP13(2018年)比赛正在进行中(有兴趣的小伙伴可查看官网了解比赛: http://predictioncenter.org/casp13/index.cgi) 表1 部分固有无序蛋白预测工具展示 这些预测方法可分为四大类: 1. Sequence based 依赖人工神经网络 (artificial neural networks,ANNs)、支持向量机(support vector machines,SVMs)等机器学习方法开发的算法。 例如1997年Romero等开发的第一个无序区域预测的工具 PONDR VL-XT ,它是基于 PDB 数据库中67个无序区域 (1340个残基)和一些有序区域(16 543个残基)建立的一种“双层前馈式神经网络”,首次表明单纯从氨基酸序列可以预测无序区域。 之后利用计算技术开发了一系列的算法,如 PONDR VL3 、 DISOPRED2 、 POODLE-L 等。 第一类算法的缺点是不能很好地揭示潜在的序列性质。 2. clustering 该方法通过使用蛋白一级序列生成三级结构模型,并将模型彼此叠加以鉴别蛋白高度可变区域。这个方法建立在理论上,认为序列的位置在多个模型中应该是保持一定的秩序规则,然而变化的残基可能是无序的。 intFOLD 和 DISOclust 便是基于此方法的预测工具。 由于聚类方法不依赖于训练数据集,因此这种方法可能不太能显示关于无序区域长度的偏差。 3. template based 与聚类方法类似,基于蛋白的一级序列与已知的同源物做比对。如 PrDOS 就是基于此方法的预测工具,同时也可以基于氨基酸序列做预测。这个方法认为,蛋白内在无序区域在蛋蛋白家族中应该是保守的,通过结合氨基酸序列的预测和同源比对的方法, ProDOS 也可划分到第四种预测方式 meta-predictor 中。 4. meta-predictor approaches 基于参考多个无序预测工具的结果对蛋白做进一步预测。使用该方法的一个例子是 metaPRDOS ,该工具整合了八种不同单独预测方法的结果。 meta-predictor 可以提高预测的准确性,因其预测结果比较可靠而常将结果作为数据库填充的来源。如 MobiDB 数据库,利用多种无序预测手段的结果,整合了来自 PDB 和 DisProt 的无序蛋白质。 MobiDB 数据库中的每种蛋白,是基于 10种 无序预测方法的结果和 NMR / X 射线数据来挑选的。 预测工具性能评估 为了测试各工具之间的效果差异,Jennifer D. Atkins 等人用已知结构的心肌肌肉LIM蛋白( MLP )进行检验。已知MLP的中心区域含长的无序区域,且 N -末端和 C -末端都含有一定程度的无序区域。 PDB条目2o10(残基7-66)和2o13(残基119-176)仅解析了具有部分接头序列的LIM结构域。2o10中残基1-6、72-83和2o13中的残基179-187也可能是接头序列,而残基109-112,136,137,143,156,163和183-184在2o13内未被发现。这表明这七个残基加上位于66位之后的残基可能是无序区域而没有被解析到。此外,66和119之间以及176-194之间的区域可能包含无序区域。基于此已知条件,将MLP提交给各预测工具,下表便是各个预测工具的预测结果。 表2 利用不同预测软件心肌肌肉LIM蛋白(MLP)无序区预测结果的比较 从上表中其实很难确定到底哪个工具预测最准确,因为所有的预测结果都不一样,甚至有些软件的预测结果与其他结果相差甚远。这体现了独个工具分析的局限性,也说明我们需要同时使用多个工具来尽可能清楚地解析给定序列中无序区域存在的可能性。 有研究者用其他已知结构的蛋白质做过类似的比较,得到了相似的效果,即不同的预测工具间结果存在不同程度的差异。基于前人的研究经验得出, DISOPRED 似乎是比较可靠的预测方法,其 预测最接近已知的无序区域 。 我们不应单独使用某个预测软件,每个工具都有缺点和优点。尽管我们不能保证预测软件能100%地为我们提供正确的结果,但这些结果确实为我们提供了IDRs的较精准估计,从而使我们了解到一些无法通过实验得到的IDRs结构。 由上可知目前对IDRs的研究还存在诸多难题,由于结构不稳定而无法通过实验手段进行可靠的研究,就算有了众多的预测软件,但是也存在一定的局限性。机遇与挑战并存是生物研究中的常态,希望终有一天科学家们会揭开生物体内这些不同寻常的蛋白域的功能。如果有精力,开发这么一款软件和数据库也会对大家很有帮助。 参考文献 马冲, 杨冬, 姜颖等. 无序蛋白质的判定及其结构、功能和进化特征 . 生物化学与生物物理进展, 2015, 42(1): 16-24. Jennifer D. Atkins. Disorder Prediction Methods, Their Applicability to Different Protein Targets and Their Usefulness for Guiding Experimental Studies . Int. J. Mol. Sci. 2015, 16, 19040-19054. 文献精读 肿瘤化疗无效是对预先存在的突变的选择还是诱发新突变,Cell给你答案 “人鸡胚胎”破解生命起源奥秘,百年来首次证实“组织者”存在于人体 |《Nature》发表重磅论文 被高中生物骗了这么多年,原来人体内细胞的DNA是有不同的? 周琪院士正面回应:60万一针有用吗?(干细胞治疗) CRISPR-CAS9发展历程小记 一场大病引起的诺贝尔2017年生理学奖角逐 Science搞反狗脑 - 人脑和狗脑一样? 一篇压根不存在的文献被引用400次?!揭开” 幽灵文献” 的真面目 基于人工智能的文献检索,导师查找,更聪明 GeenMedical:文献查询、筛选、引用排序、相似文献、全文下载、杂志分区、影响因子、结果导出、杂志评述、直接投稿,一站服务 YANDEX搜索,不翻墙稳定使用近谷歌搜索 Nature我的研究对后人毫无用途:21%的学术论文自发布后从未被引用 SCI-HUB镜像, SSH隧道访问学校内网 为了速成生物学,一位程序员探索了”爆款”基因背后的秘密 Nature邀请6位专家为您支招如何写出一流论文? 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2018 Cell系列相变最强综述,未来已来,你在哪?
chen7qi 2018-8-31 10:29
导读 Trends in Cell Biology (Cell系列综述, 2018 IF: 18.564)于2018年6月1日在线发表了Steven Boeynaems(PhD Biomedical sciences, Stanford University School of Medicine, 一作兼通讯)撰写的关于蛋白质相位分离综述一文《Protein Phase Separation: A New Phase in Cell Biology》。蛋白质相变做为细胞区室形成和调节生化反应的新思路而受到越来越多的关注,同时为神经退行性疾病中无膜细胞器生物合成和蛋白质聚集的研究提供了新的框架。该综述中,总结了近年来无膜细胞器的研究现状,相变的发生、发展、调控和在疾病治疗中的应用进行了探讨,并展望了未来几年相变领域的主要问题和挑战。内容丰富,见解前沿,值得相关领域的研究者细细品读。 摘要 细胞区室和细胞器是组织生物物质的基本形式。大多数熟知的细胞器通过膜结构与周围环境隔开。另外还有许多无膜结构的细胞器。最新研究表明这些无膜细胞器是蛋白质和RNA的超分子组装体,通过相位分离形成。近来研究揭示了无膜细胞器的分子特性、形成、调节和功能。细胞生物学、生物物理学、物理化学、结构生物学和生物信息学的技术融合正帮助建立该新兴领域–相变的分子调控原理,从而为找到治疗与衰老相关疾病的新方法等重要发现铺平道路。 Highlights 1. 相位分离在多种细胞过程中起作用,包括形成经典的无膜细胞器、信号复合物、细胞骨架和许多其他超分子组装。 2. 相位分离的概念为理解序列简并(低复杂性)和蛋白质无序区域的功能提供了新的研究方向。 3. 越来越多的证据表明,相变和无膜细胞器的失调在蛋白聚集相关的人类疾病中发挥关键作用。 4. 理解蛋白质相位分离背后的物理原理和分子互作机制可促进新型生物材料的研发。 名词解释 1. 凝胶 (Gel): 由大分子物质通过共价键(化学凝胶)或非共价键(物理凝胶)彼此连接构成的系统或液滴样网状结构。凝胶的物质属性取决于分子间交联的寿命、交联的程度和模式 (交联存在越久越倾向于固体,译者注)。缔合聚合物可形成物理凝胶,水溶性聚合物形成水凝胶。 2. 内部无序蛋白质/区域 (Intrinsically disordered protein/ region): 包含多种空间结构的蛋白质或在其自然状态下构象可以快速变化的区域。(通常由重复序列或低复杂度序列组成,译者注) 3. 液体 (Liquid): 物质的四个基本状态之一,具有一定的体积但没有固定的形状。液体通常形成球形液滴使其表面积最小化以降低表面张力,且两个液滴融合后仍为球形。在液体中,局部的空间秩序(主要是分子间距离和取向)不会超过邻近几个分子的尺寸,再远一些的分子都是随机组织。这导致液体结构可以实现快速重组并且还能够与周围环境进行成分交换。 4. 液晶 (Liquid–crystalline): 一种物质状态,同时具有液体和晶体的双重性质。组成液晶的分子以晶体样形式组织,但也可以像液体一样进行流动。液晶在分子尺度或至少在一个方向是有序的。液晶经常会随着温度的变化发生相变。 5. 液-液分层 (Liquid–liquid demixing): 两种液体作为单独的相共存而非混合溶液(参见相位分离)。 6. 低复杂性结构域(Low-complexity domain , LCD): 一种富含或仅由少数类型氨基酸组成的蛋白质片段。这些片段的组合通常遵循简单模式,如串联重复,并且与分子的快速进化速率相关。 7. 物质状态 (Material state): 物质可以产生的物质状态或相有四种:气体、液体、固体和等离子体。 8. 无膜细胞器 (Membraneless organelle): 没有膜结构限定的细胞区室。无膜细胞器通常由蛋白质和核酸组成,呈现多种物质状态。 9. 相位分离 (Phase separation): 相位分离反映了一种去混合的状态变化 (demixing transition),其中均匀且充分混合的溶液重新排列,使得不同的空间区域被不同浓度的物质占据。在最简单情况如二元混合体系(聚合物和溶液)中,相位分离产生高浓度区域和低浓度区域。在Flory-Huggins溶解理论中,与二元混合物相关的混合自由能变量是二元物质的作用参数(interdispersing term , x,原文单词,译者根据弗洛里-哈金斯溶液理论公式自主翻译,参数x表示高分子和溶剂作用的参数)。如果物质不互溶比低(x 0),则自由能低,组分将形成均匀的充分混合的溶液。如果物质不互溶比高(x0),则自由能高,会出现分层明显的两相。 10. 相变 (Phase transition): 虽然相位分离是指初始均相溶液的分层,但相变描述了分子的相位或状态转变(例如,从液体到固体)。 11. 固体 (Solid): 虽然液体和固体都被称为凝聚态物质,但它们的组分组织方式和动力学系数不同。 无膜细胞器的物质状态可以是结晶的,半结晶的或液晶的,这取决于其空间有序性的程度和空间排序的定向性偏好。 1 介绍 Introduction 真核细胞由许多隔室或细胞器组成。这些细胞器负责执行特定的生物学功能,对细胞组分、代谢过程和信号传导途径起时空控制作用。例如,细胞核从物理上把转录与翻译分开,这使得真核生物形成原核生物中大部分不存在的一套复杂的转录后调控机制。其它有膜细胞器还有溶酶体,内质网和突触小泡。然而,细胞内还有不少缺乏分界膜的细胞器,它们是由蛋白质、核酸及其他分子组成的超分子组装体,如细胞核中的核仁、核斑点 (nuclear speckles),以及细胞质中的应激颗粒stress granules (SGs)、加工小体(processing bodies,P-bodies)、中心粒 (centriole)。这些大部分胞体在几十年前被发现,它们的结构也逐渐被解析。然而,关于这些胞体是如何形成的、为何形成、有着怎样的生理特征、如何促进生物功能等问题仍待探究。近年,跨学科研究手段的不断进步,推动了对它们的组织,分子特性和分子机制的深入了解,以上问题也开始得到解答。随着对驱动无膜细胞器形成的分子原理和理化动力的日益了解,可以更清晰阐明它们在各种细胞过程(如应激反应、基因表达调控和信号转导)中的多种功能。在过去的几年中,越来越多的证据表明无膜细胞器参与了衰老相关的疾病,如肌萎缩侧索硬化症(ALS)。这些发现创造了细胞生物学的新领域——专注于探索细胞物质是如何组织成有特定功能的无膜细胞器以及它们的失调如何导致疾病的产生。 在这篇综述中,我们探究了日渐火热的无膜细胞器研究现状,针对无膜细胞器相关的生物发生、组织结构、动力学及调节机制和功能提出了自己的见解,同时讨论了最近该领域的研究结果如何帮助我们解析衰老相关的疾病的分子机制,这可以为基于相位分离开发新型治疗策略奠定基础。最后,展望了未来的主要挑战以及未来几年需要解决的问题。 2 无膜细胞器通过相位分离形成 Membraneless Organelles Are Formed via Phase Separation 许多无膜细胞质和细胞核区室例如,P-bodies,SGs (stress granules),卵黄核 (the Balbiani body),胚芽颗粒 (germ granules),PML bodies,Cajal bodies,核斑点和核仁等已经研究了很长时间,然而,驱动它们形成的机制大多仍是未知的 (enigmatic,elusive 是比unknown更高规格来表示未知的词,适合多用,译者注,更多英语写作见 https://mp.weixin.qq.com/s/37dMnfA6RTSybzkzKnambw )。一些早期研究强调了这些组件组装的动态特征。在2005年,有学者认为Cajal bodies表现为“悬浮在半流体核质中的半流体球”,然而,缺乏关于这些组件的物理性质的确切实验证据。2009年,Brangwynne,Jülicher和Hyman证明P颗粒 (Pgranules)(秀丽隐杆线虫胚胎中含有RNA和蛋白质的胞体)具有类似液体的特性,并证明了它是通过相位分离形成。这是一种物理过程,过饱和的组分溶液自发分离成密相和稀相两部分,然后稳定共存。P颗粒的类液体性质从它们的圆形外观(使表面张力最小化的结果)、可变形性(熔合和裂变事件)及组分的动态交换等特征中显现出来的。在此后两年,对核仁进行了类似的观察。液体本身不是“简单的液体”,而是一个具有特定含义的术语。“简单液体”,也称为范德华流体,包含通过各向同性短程电位相互作用形成的球形颗粒。蛋白质和RNA液相并不是均匀粘性的球形颗粒,它们更应被描述为缔合聚合物,并且由这种体系形成的液体具有独特的结构,这些结构由物理交联形成,从而具备一整套材料特性,包括空间组织液滴的可能性,其中一种聚合物润湿另一种聚合物。(Instead, they are best described as associative polymers and theliquids formed by such systems have distinctive structures that are defined byphysical crosslinks that give rise to a panoply of material properties,including the possibility of spatially organized droplets where one polymerwets another. 这一段不好翻译,附上原文) 相位分离是聚合物化学中常见的现象,不过,它在生物大分子中的应用是近期才出现的。前人研究发现,一些蛋白质(如血红蛋白),浓度高时在体外会发生相位分离,但这些结果的意义并不是很清楚。特别是晶体学家在结晶试验中经常观察到液-液相位分离。液滴形成降低了成核的自由能,因此是结晶实验中可预期的现象。然而,关于相位分离可能是控制无膜细胞器形成,调控生物功能和活性的认识是近几年才产生的。Rosen及其同事在2012年就这一观点提供了有力支持,他们发现含蛋白质和含RNA的结构可以从纯化的成分中重建;并进一步提供了证据表明这些重构的液体胞体可以促进肌动蛋白聚合物的成核。在这些开创性发现之后的几年中,人们逐渐认识到蛋白质和其他大分子(如RNA)可以形成充分混合或空间组织的凝聚物,并在不同的物质状态之间切换。无膜细胞器通常被称为生物分子缩合物,并且遵循与其他聚合物相同的物理原理(Box 1)。越来越多的数据支持这一过程中不同相变的多样性以及背后复杂的分子和物理相互作用。 Box 1 方框1. 无膜细胞器可以是液体,固体或凝胶 无膜细胞器通常被称为液体,但这种称号会让人联想到熟知的液体而产生混淆。值得注意的是,所有液体,甚至是由硬球体构成的所谓简单液体,都有明确定义的结构,并可以根据对关联函数 (pair-correlation functions)进行量化。这些函数表明,液体在长度尺度上采用有序排列,而非晶体固体似的排列,其尺寸数量级为典型的分子尺寸。在较长的尺度上,分子是随机组织的,其组织方式使人联想到稀释气体。非球形分子具有空间和方向顺序,水和其他分子液体(包括聚合物)也是。局部空间排序和分子间取向受不同空间幅度和方向的层级互作影响,例如远程静电,多极相互作用,氢键,力和涉及π(pi)-系统的短程相互作用。 在生物相位分离中,凝胶被认为是固体的同义词,凝胶化被认为是从液体转变为固体的过程。凝胶由分子间互作的系统网络形成,可以通过其组成型大分子的连通性来贯穿凝胶。如果凝胶具有长寿命的交联和高密度的交联,那么材料性质可以与固体的性质一致。相反,具有短寿命交联和/或低密度交联的凝胶将具有类似于液体的材料特性。 实际上,细胞器可以是液体、某种形式的固体、液体凝胶、固体凝胶、结晶固体、半结晶固体或液晶,这取决于空间排序的程度和排序的方向偏好。 为了给无膜细胞器合理的描述,必须至少测量以下5个指标,即:(i)液滴中的大分子浓度,以量化密度;(ii)分子间长程空间排序的程度,以量化液滴内的分子间组织;(iii)分子间物理交联的程度;(iv)液滴与其周围环境之间的界面张力;(v)生成和破坏液滴内键的时间尺度。 理想情况下,以上5种测量方式将分别对体外模拟的液滴和体内活细胞中相同条件下的液滴进行检测,以揭示体内外液滴的共性和差异。 ggplot2高效实用指南 (可视化脚本、工具、套路、配色) 3 体内外蛋白质相位分离的分子决定因素 Molecular Determinants of Protein Phase Separation In Vitro and In Cells 蛋白质组学和遗传学研究已经确定了几种无膜细胞器的蛋白质成分,这些研究表明,蛋白结合结构域和/或线性基序 (adhesive domains and/or linear motifs) 的多价性 (multivalency)是驱动蛋白质(或RNA分子)相变的关键。多价性可以通过以下三种方式中至少一种来实现:(i)具有特定互作界面的折叠蛋白质可以形成寡聚体,进而诱发相关元件的多价性 (associative patches),并参与空间特异性互作; (ii)折叠结构域可以通过柔性接头连接在一起产生线性多价蛋白质; (iii)内部无序区域(IDRs)可以作为多个独特的短线性基序的支架。当然,多价性也可以通过以上提到的三种方式组合或通过诸如无序区域内的结构形成等应激过程而出现。引起广泛关注的一个特征是驱动相变的蛋白质中存在IDRs(intrinsically disordered regions) 。无序区域的序列具有构象异质性(即无固定结构)被称为内部无序蛋白质/区域(IDPs/ IDRs)。大多IDRs具有氨基酸组成偏好性且可能是重复序列,因此,这些IDRs的特定子集也称为低复杂性域(LCDs)。富含IDRs / LCDs超分子组装体的形成会促进不同性质的无膜细胞器的形成(图1A-C)。一个典型的例子:IDRs、折叠结构域和核酸之间不同分子相互作用产生了一系列组装动力学特征。例如,卵母细胞中的Balbiani bodies是由β折叠相互作用结合在一的类固体状蛋白质组装;相反,许多RNA-蛋白(RNPs)颗粒是动态和类液体状的,并且遗传实验已经证明IDRs有助于它们的组装;已知RNA结合蛋白(RBPs)具有多价模块结构域,在相位分离中的起着关键作用(Box 2);通过柔性接头连接的含有多个相互作用结构域的工程蛋白在与其特定靶标相互作用时表现出自发的液-液分层。这些数据表明,这种“fuzzy”作用模式可以实现多价互作功能域之间的多种组合,这可能是蛋白质相变的通用驱动因子(Box 3)。 图1 蛋白质相变的不同特征 (A.物质状态和动态从液体到固体的广泛变化; B. 蛋白质FUS (渐冻人相关疾病蛋白)在体外可以具有所有的形态; C. 无膜细胞器机器体外重建实例;D.几个无膜细胞器展示。它们具有复杂的拓扑结构,包含可能属于不同状态的子隔室。 生物AI插图素材获取和拼装指导 ) Box 2 方框2. 聚合物理论和多尺度模拟的见解 相变是一个协同转换过程,涉及来自多价蛋白质间相互作用模块的集体效应。这些多价蛋白可以进行凝胶化,从而形成物理交联的系统网络,其中交联是相关结构域/基序之间的非共价相互作用。蛋白质聚合物也可以通过密度转变缩合,从而形成与稀相共存的致密相。凝胶化的物理过程,更确切地说是溶胶-凝胶的转变,已被用于相关功能域/结合基序的效价对相变驱动的影响。相比之下,密度转变的物理特性解释了形状为球形的凝聚相的形成,并显示出许多与液体相同的特性。实际上,两种类型转变的物理特征协同作用共同促成了无膜细胞器的形成,即更熟知的生物分子缩合物的形成。 多价蛋白质是属于缔合聚合物的一类聚合物,它们可以通过相位分离或不经相位分离实现凝胶化。这里,效价(valence)是指在分子内部和分子间相互作用时互作的功能域/基序的有效数量。最近对缔合聚合物理论的计算机模拟和调整表明,多价蛋白质可以被解析成相关的结构域/基序,即所谓互作功能域(stickers, 粘着剂),并由间隔序列 (spacers)穿插。粘着剂能够实现物理交联,而间隔物 (spacers)或连接子 (linkers)决定是否通过相位分离驱动凝胶化。可溶性接头或间隔物抑制相位分离,而自缔合性或对溶解和结合无偏好的接头/间隔物将通过相位分离胶凝化。从理论,模拟和最近的实验中得出的关键结果发现,内部无序区域 (intrinsically disordered regions) (相变的决定因素)和液滴内蛋白质模块的密度和组织形式,是推动相变的关键作用。 生信宝典文章集锦,众多干货,有趣有料 (20180825版) 除了仅用作连接子之外,IDRs还可以调节“粘性”互作以促进相变。 McKnight及其同事发现,随着时间的推移,不同IDRs的浓缩液可以自发地形成水凝胶,类似于对含有FG-二氨基酸重复的核孔蛋白的观察结果。此后不久,Taylor及其同事发现了hnRNPA1和hnRNPA2B1的IDRs中的疾病突变,可以促进它们在体外加速组装成高级结构复合体。此外,这些突变体促进活细胞中SGs(应激颗粒)的自发形成和动力学显著降低。几个团队后续研究工作表明与疾病相关的IDRs蛋白质如hnRNPA1或融合肉瘤基因(Fusedin Sarcoma, FUS)可以形成液滴。这些发现引起了整个领域对IDRs在相位分离中的重要性和功能性的关注,为真核生物中众多的蛋白质无序区域存在的合理性提供了又一理论依据。 Box 3 方框3. 异质性对细胞器动力学的影响 核孔复合物在无序区域具有高频率和弱相互作用的FG基序,但在FRAP (Fluorescence recovery after photobleaching) 实验中核孔复合物表现出较长的恢复时间。需要考虑的是重复的基序或SLiM可能会产生一系列结合拓扑结构,从而产生大量的等能微观状态和更高的能量熵。这需要高度动态的连接序列(例如,IDRs)来实现结合位点之间的最小化耦合并实现多种排列。此外,弱亲和性的或非特异性的基序可以同时与多个靶位点相互作用,或甚至通过弱的短程作用与更多的配偶体结合。与一对一结合模型相反,阳离子-π(pi),π-π(pi-pi),芳香氢键和范德华相互作用通过替代靶点在不同程度上诱发多价基序之间结合方式的不确定性。基于数学理论的计算模拟实验表明,与一对一结合模型相比,部分异构交互可以将相界的形成难度降低一个数量级。从这个方面来说,高阶组件类似于先驱络合物 (encounter complex),它们有助于基序间高效的互作,同时实现快速重组装。这也意味着异质系统可以在较低的效价下经历相变。通过很大数目的结构状态生成不同的冗余交互模式。尽管意外,构象异质性也可以通过熵效应促进组装。这正与FUS组装过程中观察到的现象一致。总之,不只是组成蛋白的多价性,而且相互作用和结构异质性也可能是无膜细胞器组装和动力学的关键决定因素。由于这种异质性普遍存在于蛋白质相互作用中,因此无膜细胞器相关的分子驱动力可能与传统的蛋白质复合物和“低阶”组装没有根本的区别。 生信老司机以中心法则为主线讲解组学技术的应用和生信分析心得 - 限时免费 IDRs中的多价交互究竟是如何实现的?这些序列通常富含不带电荷的极性侧链(谷氨酰胺,天冬酰胺,甘氨酸,丝氨酸,脯氨酸),带电荷的氨基酸(精氨酸,赖氨酸,谷氨酸,天冬氨酸)或芳香族残基(苯丙氨酸和酪氨酸)。有趣的是,这些残基似乎不是在整个序列中随机分布的,而是常以短线性互作基序(short, linear interaction motifs, SLiM)、交互电荷块或简并重复序列的形式存在。IDRs的序列偏好性表明它们可能具有一系列驱动相变的作用力,可能包括静电,偶极-偶极,π-π(pi-pi),阳离子-π(pi),疏水和氢键相互作用等(图2 A,B)。突变研究表明,改变多种残基类型可以阻止不同LCDs的相位分离。此外,破坏交替电荷块和重复序列中的关键氨基酸突变也会干扰相位分离。 无膜细胞器通常含有核酸,尤其是RNA。此外,与无膜细胞器相关的蛋白质通常具有RNA结合结构域或结合基序,并且无膜细胞器中的RNA会促进各种RBPs的相位分离(图2C)。同时,若RNA/蛋白质的化学计量比值 (stoichiometries)高,也会抑制相位分离。RNA还调节无膜细胞器的成核和时空分布。即便是参与葡萄糖代谢的由蛋白质组成的G-bodies也需要借助RNA发挥生物活性。RNA也可以影响蛋白质液滴的材料特性。最近发现重复排列的RNA通过分子间碱基配对相互作用发生相位分离,再一次突出了多价性和结构多态性作为相位分离驱动因子的普遍性。(2018年6月Richard Young教授在Science发表超级增强子结合的相变文章 Coactivator condensation at super-enhancers links phase separation and gene control的,文章发现转录共激活因子BRD4和MED1可以在超级增强子处聚成液滴样的核斑,并且该聚合可被化学处理干扰。BRD4和MED1的IDR(intrinsically disordered regions,IDRs)区可形成相位分离液滴,进而区室化和富集转录机器,为超级增强子的转录调控在相变角度提供新的解释。从Richard Young教授的系列研究看超级增强子发现背后的故事 (附超级增强子鉴定代码)) 4 无膜细胞器的物质形态:液体,水凝胶,团簇 Material States of Membraneless Organelles: Liquids, Hydrogels, and Aggregates 尽管目前科研人员已经对多种蛋白质在试管中进行了相位分离实验,但是目前关于体外或细胞内与这些相位分离状态相关的潜在分子机制还未达成共识。卵黄核 (Balbiani body)的相位分离依赖于稳定的淀粉样蛋白相互作用,而中心粒周物质 (pericentriolar material)和突触后致密物(postsynaptic density)是由形成螺旋卷曲的蛋白质之间的相互作用所介导。其它组装的机制则不明朗。为了更好的理解应激颗粒(SGs)的内部结构,科学家投入了大量的精力。SGs的形成被认为是细胞应激反应的一种形式——当细胞受到压力时SGs形成,但是是可逆的。Parker实验室最近的工作表明,仅基于试管实验来看,细胞中的情况可能远比我们想象的要复杂。SGs具有稳定的核心,可以抵抗稀释,这体现了SGs的非液体特性。尽管这一结果不能排除自发的相位分离和凝胶化相结合是形成SGs的路径之一,但数据表明,SGs的分解可能是迫使物质脱离kinetic traps的驱动过程。事实上,超分辨率显微镜和交联实验已经证实了SGs具有不稳定的液体外壳。这些结果指出了SGs有着复杂的内部结构,其他的无膜细胞器可能也是如此。 一些应激颗粒(SG)蛋白的错义突变会导致例如肌萎缩侧索硬化(ALS)等神经退行性疾病,并且突变型和野生型蛋白都会在神经元中聚集。SGs是动态组装形成的,它们的聚集物可能具有原纤维结构。 FUS和hnRNPA1是此类SG蛋白的实例,都具有长的,低复杂性的蛋白质区域,并且在ALS病人中发生了突变。McKnight及其同事的初步研究发现,这些无序的结构域可以形成可逆转的水凝胶,依赖于不稳定扭曲的 β折叠。有趣的是,胶凝/溶解的重复循环促进了水凝胶从可逆转凝胶向不可逆转凝胶的转变。通过对全长FUS和hnRNPA1或低复杂性区域形成的液滴的研究人们提出了不同的假想机制。低复杂性蛋白质区域在这样的液滴中,似乎保持其无序的倾向,这与它们的单体状态类似。然而,对于许多由低复杂性蛋白质区域形成的液滴,特别是在含有全长蛋白质的情况下,最终将发展为成熟纤维状固体聚集体。并且,ALS引起的突变可以提高成熟率。两种不稳定的凝胶和液体向固体的转变可以解释ALS中SGs向聚集体的病理转化,但它们与细胞SGs和聚集体的确切关系仍未确定。 5 特异性的产生与维持 How Is Specificity Generated and Maintained? 有趣的是,许多蛋白质同时存在于多个不同的无膜细胞器中。由于这些蛋白质在多价蛋白质中显著富集,因此不可避免地会出现什么决定了组装的特异性和完整性的问题:如何防止不同无膜细胞器的融合?如何维持无膜细胞器内的不同子隔室?(例如在核仁中:图1D)如何组装和控制核仁等多相系统?最近的研究表明,蛋白质液滴的表面张力差异可以介导这种多相液滴的形成。两个亚核区室的关键组分可以独立地发生相位分离,但所得的液滴具有不同的表面张力。当混合在一起时,这些液滴不会融合,而是以液滴内的液滴形式排列,这与核仁非常相似。这个例子揭示了一个更普遍的原则,可以作为解释其他无膜细胞器中多相行为的理论基础。 除了物理性质之外,颗粒组装的特异性可能源于蛋白质-蛋白质之间直接互作的特异性。经历相位分离的IDPs和蛋白质富含短线性互作基序(SLiM)和简并重复序列。它们都是蛋白-蛋白互作的主要参与区域 (图2A,B)(生信宝典之傻瓜式(四)蛋白蛋白互作网络在线搜索)。此外还可能与IDPs的其他特征有关,例如重复结合基序的数量和间隔(多价性),它们的翻译后修饰(PTM)或中间接头区域的动态变化 。非特异性静电相互作用,特别是与RNA的相互作用,对于液滴组装成核至关重要。并且不同的IDRs对离子强度变化的响应不同。尽管SLiMs具有一定程度的特异性,但多个SLiMs的加性效应可能共同决定了相变形成的组装复合体的物理特性和组成。 图2 蛋白质相位分离中涉及的相互作用和调节机制 (A. 蛋白质相位分离中观察到的不同类型的接触; B. 相位分离蛋白的实例说明了多价性的重要性,高亮显示蛋白内的一系列互作模块; C. 调节蛋白质相位分离的物质状态和形成凝集核的不同机制。 高颜值可定制在线作图工具-第三版(操作更简单) ) 另外,无膜细胞器中的几种关键蛋白质具有可折叠的二聚或寡聚结构域。例如,G3BP1含有被SG(stress granules)靶向的可折叠二聚化结构域。类似的例子还有PML、Cajal bodies和核斑点 (nuclear speckles)。TDP-43可通过LCDs中的瞬变的α螺旋二聚化进行相位分离,并且可以通过折叠的N末端结构域进行多聚化(图2B)。这表明对于一些蛋白质,相位分离可以通过两种不同的机制发生。这两种机制是通过蛋白质结构生理的角度偶联在一起的。Brangwynne实验室的工作为这种装配机制提供了有说服力的证据。Shin等人使用植物来源的光诱导蛋白寡聚化结构域来提供驱动蛋白质-蛋白质相互作用的光遗传学研究途径。将该寡聚化结构域融合到已知驱动相位分离的LCDs产生的工程蛋白可在光刺激下在细胞中形成液滴。这些所谓的光液滴 (“optodroplets”)表明,特定的寡聚化结构域与LCDs的组合确实是介导特定细胞相变的有效机制。寡聚化结构域,卷曲螺旋 (colied-coils)和β-拉链 (β-zippers)可以提供驱动无膜细胞器形成所需的倍增粘性互作(图2B)。有趣的是,最近发现多种无序蛋白质富含不稳定的β-拉链区域,也就是推动FUS凝胶化的区域。 很明显,无膜细胞器和靶向细胞器的配体蛋白质的结构成分之间有明显的区别。然而,区分这些行为的确切分子特征目前仍然未知。对于某些组装体的偏好配体蛋白的选择可以简单地由隔室的组件引入的物理限制来介导 (Preference of client proteins for certain assemblies couldsimply be mediated by the physical restrictions introduced by the constituentcomponents of the compartment.)。蛋白质液滴/凝胶中的相互作用阵列产生具有特定网格尺寸的网络。通过允许网格尺寸以下的小分子自由扩散通过网络,同限制较大分子的进入,充当扩散屏障。另外,无膜细胞器可以锚定在空间中,从而防止扩散和融合。例如,聚集体 (Aggresomes, aggregation of misfolded proteins)是由细胞骨架在核周的错误折叠而形成的蛋白质沉积物,这阻止了错误蛋白在细胞内的扩散. 6 时空调节 Spatiotemporal Regulation 在试管中能自发进行相位分离的蛋白知道的越来越多,但是细胞是如何对这一过程进行精确控制的仍然令人费解。例如,几种RNA结合蛋白 (RBP) 在远高于其体外饱和浓度的细胞浓度下却完全可溶,但是他们只在特定条件下发生相变。简而言之,细胞如何能够避免自发和不可控的相位分离?这个问题与前面提到的相变特异性起源的观点密切相关。 不同实验室的工作都表明,丝氨酸和酪氨酸磷酸化、精氨酸甲基化和泛素化等都可以控制相位分离。重要的是,双特异性激酶DYRK3的活性被证明是SG (stress granules)溶解所必需的,这表明可能存在控制这些过程的细胞开关。有趣的是,易于发生相位分离的蛋白质似乎富含被翻译后修饰(PTM)的残基。实际上,蛋白的翻译后修饰(PTM)可以显著地改变这些IDRs/ LCDs的电荷或其他性质,从而将序列固有驱动力转变为相位分离(图2C)。 细胞控制相变的另一种方法是控制细胞浓度和细胞内物质分布(如介导相位分离的蛋白质的散在分布)(图2C)。hnRNPA1的细胞浓度高于其体外饱和浓度,但这些分子仍然可溶于细胞核的原因尚不清楚。阻断hnRNPA1的核输入,导致其在细胞质中的积累,从而致使 SGs (stress granules)的自发形成。并且,核转运因子本身就是SGs的组成部分,说明核质转运过程可能会以多种未知的方式控制相位分离。 由于RNA参与形成多个无膜细胞器,特定RNA种类的存在与否也可以在特定时空层面调节相位分离(图2C)。例如,非编码NEAT-1 RNA的表达对于散斑 (para-speckle)的形成是必需的。此外,细胞应激下的多聚核糖体解离促使细胞质包含更多游离mRNA,随后使SG (stress granules)成核。正常状态或应激响应被激活时,抑制多聚核糖体的解离都可以阻止SG的形成。此外,经典的应激颗粒标记物poly(A)结合蛋白(PAB1)在响应热应激时会发生相位分离,释放其结合的RNA。这表明翻译响应和SG形成之间存在复杂的关系。 7 疾病、病理及衰老 Disease, Pathology, and Aging 一些在神经退行性疾病中的关键蛋白是无膜细胞器的组件,因而这些组件的装配在形成、维持或清除过程中发生某些错误的调节可能导致病态聚合的形成。事实上在试管和细胞中持续数小时的观测发现,动态蛋白液滴及水凝胶会自发成熟化,形成固态聚合。此转换表明这种动态的装配可能具有亚稳定性或天然不稳定性,并且特定的细胞过程可阻止这种固化过程的发生(Figure 2C)。这种从液体到固体的相变可被疾病相关突变所促进,表明相变(phase transition)对于病理研究的重要性。这些疾病突变似乎靶向存在于内在无序区(intrinsically disordered regions,IDRs)的β拉链结构域,使其更加倾向于折叠为稳定的淀粉样结构。值得注意的是,目前还没有直接的证据表明在病人的大脑中,病态的蛋白质聚集是由应激颗粒(stress granules, SGs)或其他无膜细胞器的凝固化造成的。 疾病突变也可能通过产生异常的蛋白质和RNA种类来影响相位分离。在这方面,重复序列扩增导致的功能异常尤其有趣。其中的一些异常包括重复RNA位点的形成,后者可捕获RNA结合蛋白,导致其功能丧失。有趣的是,这种RNA重复序列自身可通过多碱基配对进行相位分离,与病人体内观察到的现象一致。此外,一些RNA重复序列可翻译并产生有重复序列的多肽。例如,引发肌萎缩侧索硬化症的GGGGCC序列重复可产生不同的二肽重复序列。其中的两个被称为甘氨酸——精氨酸、脯氨酸——精氨酸的二肽重复序列,定位于不同的无膜细胞器,包括应激颗粒体(SGs)。包含这些致病肽段的SGs (stressgranules)有较小的动态性,而且还招募了一些易于产生聚集的蛋白质,如TDP-43。 SGs (stress granules)的清除依赖于自噬。自噬基因的突变是导致各种疾病的原因,包括肌萎缩侧索硬化。另外自噬作用也随着年龄的增长而变弱。除了自噬之外,分子伴侣也都参与了保持SG (stress granules)的易变性和可清除性。这些观察结果表明,细胞若无法对这些程序进行严格控制可能导致病理聚合。核转运也因年龄老化而衰退,并且越来越多地被发现参与到蛋白质聚集引起的疾病中。 线粒体功能紊乱是衰老和神经退化的基础,因其可能会导致ATP水平下降,从而影响无膜细胞器的调节。大量的SG (stress granules)蛋白含有ATP酶结构域,并且降低细胞的ATP水平会降低细胞器的动态特性。另外,有证据表明,细胞ATP可以作为化学助溶物直接阻止相位分离和聚合。ATP的这个特征独立于它在激活细胞进程中提供能量的作用。因此在老化和疾病中,线粒体呼吸功能的缺陷可能促进蛋白质聚集,要么通过整体地减少细胞ATP水平,要么是由于依赖ATP的可维持无膜细胞器流动性的生物通路的损伤导致的。 蛋白翻译后修饰(PTMs)在相位分离调节中具有重要作用,并且值得注意的是,一些病理蛋白质聚集显示了特定的PTM特征。例如,Tau磷酸化(Tau phosphorylation)是阿尔茨海默病(ALS)病理的一个标志。有趣的是,tau磷酸化促进了体外的聚合和相位分离。 尽管蛋白质聚集和相变大多是在神经退行性疾病的背景下进行研究的,但它们与各种各样的病理条件有关,包括病毒感染和癌症。与神经退化相关的一些关键蛋白质也与不同类型的癌症有关联。例如,在ALS中参与应激颗粒 (SG)靶向和聚合的FUS蛋白(一个RNA结合蛋白)的低复杂域(low-complexity domains, LCD)已被证明在脂肪肉瘤中发生了致癌融合。事实上,癌症相关的融合蛋白通常富含无序的低复杂性功能域,表明这可能是一种常见的机制。FUS蛋白的低复杂区域的转录激活潜力,以及它的人类同源物EWSR1和TAF15蛋白(三者在一个癌症家族中有关联)的转录激活潜力,与它们在体外的水凝胶结合能力以及招募聚合酶II的C端区域到所在水凝胶的能力高度相关。FUS蛋白的低复杂域和它的同源基因介导转录激活的机制虽然还不清楚,但被认为是与相位分离过程有关的。此外,增加的SG (stress granules)和旁斑(paraspeckle)的形成与癌症存活的预后率低有关。最近的研究发现,肿瘤抑制基因p53的聚合导致其功能丧失,是癌症的主要机制,而阻止其聚合的化合物在临床前动物模型实验中取得了成功。( 生信宝典之傻瓜式(六)查找转录因子的靶基因 ) SGs也参与到抗病毒的应激反应中,并且病毒已经进化出了许多干扰SG装配的方法。此外,一些病毒,如虫媒病毒 (flaviviruses),包括寨卡病毒,甚至劫持了SG蛋白来辅助自身的复制。尽管还处于起步阶段,但由于蛋白质聚集和相位分离与许多人类病理状态相关,因此更好地理解这些过程将帮助在更广阔的人类医学领域中发展新的治疗策略。 8 通向新的治疗途径 Road Toward Novel Therapy? 如前所述,我们提出蛋白质相位分离与病理蛋白聚集和疾病密切相关的假说。但只有在彻底理解了背后的调控机制并研发出新的疾病治疗方式后,才能说明该假说的成立。细胞的相变可以被干扰疏水或极性相互作用的不同化学物质所调控。然而,这种非定向化合物可以靶向细胞中的大部分无膜细胞器,可能并不是疾病治疗的最佳选择。 反义寡核苷酸(Antisense oligonucleotides, ASOs)提供了一个可能合适的可选方法,可特异性地敲低异常相变中的关键参与者。虽然针对病理蛋白的ASOs在不同的小鼠模型中取得了成功,但其应用仅限于非致死性(non-essential)蛋白。对于致死性蛋白,ASOs可以靶向其非致死性的功能分子伴侣,进而调节相变。以ALS模型中致死性蛋白TDP-43为例说明该方法的可行性。Ataxin-2已在动物模型和人中被确认为是ALS疾病的调节因子。随后的研究表明,Ataxin-2直接招募TDP-43到SGs,这为它促进TDP-43的聚集提供了一种机制解释。与TDP-43敲低不同,Ataxin-2的敲低(KD)在小鼠中耐受良好。确信的是,ALS小鼠模型中敲低Ataxin-2降低了小鼠脊髓中TDP-43聚集物的数量,显著延长了存活率。类似的,敲低与Tau相互作用的SG蛋白Tia-1可在培养的神经元和啮齿动物模型中抑制Tau病理和毒性。这些研究充分表明,通过ASO技术靶向相变是阻止TDP-43和Tau蛋白病理性聚集的可行策略,也可能适用于其他蛋白聚集性疾病的治疗。( R语言学习 - 非参数法生存分析 ) 最后,考虑到蛋白质的聚集和相位分离受到细胞蛋白质降解及分子伴侣机制的严格控制,目前的工作重点是寻找能上调这些通路的药物,或产生能拮抗病理相变的强效工程学解聚分子。阐明蛋白的相位分离的复杂调控机制将是识别新通路的关键,进而靶向新通路矫正病理性相变。 9 结束语 Concluding Remarks 近年来,关于大量细胞器是通过相位分离形成的认识越来越清晰。虽然这些细胞器已经被研究了几十年(或者如核仁,已经研究了一个多世纪),但它们的动态性质及这种动态性与无膜细胞器的形成、功能和生理病理的关系直到最近才被揭示。利用聚合化学的先进技术优势,在快速发展的细胞生物学领域中,对无膜细胞器的认识有了显著的提高,并开发了进一步探索其潜在生物物理学行为机制的新方法。毋庸置疑,这些新发现已经为靶向人类疾病发生中的异常蛋白相变提供了新的思路。此外,了解序列和所产生的物质状态之间的关系也可能促进产生新的合成生物学材料。 然而我们必须充分意识到,我们还远未完全了解无膜细胞器背后的复杂生物学机制以及它们的功能与作用。为此列出了我们认为仍未解决的关键问题(见OutstandingQuestions)清单。解决这些问题对于进一步深入了解蛋白质的相位分离是至关重要的。开发新的分子生物学和细胞生物学工具是完成这个目标所必须的。目前,无膜细胞器的纯化和高分辨率结构研究仍是一个瓶颈,特别是在活体细胞环境中。只有开发出特异性地靶向单个颗粒体的工具,我们才能将这些颗粒体用于新的疾病治疗,并将我们的基本生物学知识应用于临床。蛋白质的相位分离还没有展示出其所有的奥秘,一个令人兴奋的未来即将到来。 Box 4 方框4. 无膜细胞器的功能是什么? 许多蛋白质似乎已经进化出驱动无膜细胞器形成或被募集到无膜细胞器的能力。然而为什么细胞需要这样的结构?他们的生化功能是什么?令人惊讶的是,这些问题基本上没有答案。 不同形式和尺度的区室划分在生物体广泛存在。 我们的胃是一个功能确定的器官,它只有一个主要目的,即通过酸水解消化食物。显然,如果身体能把食物和酸都集中到一个单独隔室中,化学反应进展更顺畅。 另外,这种区室可以保护其他器官免暴露于酸环境中。 同样,我们的细胞也进化出一种惊人相似的机制,如溶酶体产生酸性隔室以降解细胞废物。 通过膜屏障,溶酶体可以浓缩反应组分,同时保护细胞的其余部分免受伤害。器官-细胞器水平相对应的另一个例子是脂肪组织和脂滴,他们以脂质的形式储存能量供以后使用。 此外,身体和细胞可以通过区室化信号接收放大来自环境的信号:眼睛将入射光聚焦到富含光接收器的视网膜上。在亚细胞水平上,神经元也将它们的受体集中在不同的子结构中,即突触。 从以上类比中,可发现区室化的四个主要功能,即:(i)浓缩(生)化反应的成份;(ii)隔离有害成分;(iii)生物分子的储存;(iv)信号放大。有趣的是,所有这些功能都存在于无膜细胞器领域。首先,通过相位分离浓缩细胞骨架组分促进它们成核变为丝状物,并且类似地,剪接也是通过mRNA上的剪接因子的多价组装来控制的。其次,虽然疾病中的蛋白质聚集体被认为是有害的,但越来越多的证据表明它们也可能是细胞最初的拯救机制–隔离毒性更高的蛋白质寡聚体。第三,许多组件起到储存颗粒的作用,因为它们在面对应激或静息状态时可隔离蛋白质和其他生物分子,以便以后再次使用。第四,通过浓缩受体和信号分子,细胞可以放大某些信号传导途径。鉴于此,不同的膜受体可通过蛋白质相位分离实现这个功能。 虽然我们还没有完全揭示细胞中相位分离的复杂功能,但这些例子让我们大致了解了为什么细胞可以受益于无膜细胞器的形成。 教育部推出首批490门“国家精品在线开放课程” 蛋白结构预测、可视化、分子对接简明教程 1-4系列 10 重点问题 Outstanding Questions 1. 相位分离确切的生物学功能是什么?为什么细胞会进化产生无膜细胞器?是什么让液体/凝胶组成在功能上与经典蛋白质复合物不同? 2. 我们对驱动相位分离的物理动力有了基本的了解,但在原子水平对互作的的深入了解会帮助更好地理解这些相变的机制。 3. 不同无膜细胞器的必须和非必须组成部分是什么,它们的序列和结构特性是什么? 4. 尽管有一些例子,但我们对细胞中相位分离的时空调节机制知之甚少。这将是理解生物学如何调节物理学的关键。涉及哪些调控通路? 5. 目前无膜细胞器组成的特异性程度的认知和预测完全不清楚。如什么介导蛋白质和RNA形成特定相,以及什么阻止了不同的无膜细胞器的聚结? 6. 虽然在体外试管中确定胞体颗粒的内部结构方面取得了一些进展,但缺乏在活细胞中研究该问题的工具。即如何在体内研究无膜细胞器的内部组织? 7. 生理和病理组装有什么区别?哪些因子驱动病变? 8. 疾病突变和衰老如何特异性地影响无膜细胞器成分的相位分离?相关的分子事件有哪些? 9. 为什么与蛋白质聚集相关的疾病会显示出如此明显的细胞类型特异性?什么使(特定)神经元对蛋白质稳态中的干扰特别敏感? 原文:Protein Phase Separation: A NewPhase in Cell Biology 翻译:凌路頔 刘晋芸 宋红卫 文章原文: http://blog.genesino.com/2018/08/phase/ 教程合集 生信宝典-Linux教程.pdf 生信宝典Py3_course.pdf 生信宝典-R学习教程.pdf 系列教程 生物信息之程序学习 关于编程学习的一些思考 该如何自学入门生物信息学 如何优雅的提问 生信宝典视频教程 好色之旅-画图三字经 转录组分析的正确姿势 生信的系列教程 生信的系列书籍 文章用图的修改和排版 (1) 文章用图的修改和排版 (2) 简单强大的在线绘图 简单强大的在线绘图-升级版 论文图表基本规范 学术图表的基本配色方法
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主动布朗粒子的相变行为?
热度 1 zhongwei2284 2018-7-21 14:00
1. 模型 之前我们已经介绍过一些关于 主动布朗粒子 的故事。 主动布朗粒子是一种可以在环境中获取能量的粒子,有时候我们也称之为自推进的粒子或者微型的游泳者。 假如现在有一个 2 维系统, 其中有 N 个主动粒子在其中运动, 其运动可以用如下模型来描述: 其中 R_k 和 T_k 是一个高斯噪声。 势能 U 描述了有效半径为的 d_BH 的硬球短程排斥。 σ 为 Lennard-Jones 特征长度。其中势能可以表示成如下。 更多的细节需要在文献中寻找,但是这里有一个重要的参量需要提提,那就是 Pe ,其为 Peclet number ,在研究主动布朗粒子的相变或者相分离的时候, 1/Pe 的作用相当于气液系统或者伊辛模型中的温度,它的大小调节着粒子的运动行为。另外粒子的堆积密度 Φ 有点类似于序参量(仅是类似)。 2. 主动布朗粒子的相分离: 这是相变吗? 一开始,主动布朗粒子们欢快的自由自在的在游荡,一会儿到这儿,一会儿又去了那里。但是,突然,当 Pe 达到一定值的时候,粒子们感受到了威胁,也许它们觉得只有聚集在一起才能够更容易活下来,于是,整体出现了粒子的凝聚行为。就像从气体到液体的相变,粒子们紧紧相拥,如图 1. Fig. 1 主动布朗粒子的相分离 . 这种相分离是相变吗?如果是它是一种怎样的相变呢?像气液?像伊辛模型?但是,我们一定要牢牢记住,主动粒子处于非平衡态,而对于非平衡态的相变我们所知依然很有限。有时候只能假借一些平衡态相变的定义来描述我们利用模拟或者实验得到的一些结果。 我们都知道,气液相变中有气液共存线的存在,而利用主动布朗粒子的 Pe-Φ 图可以得到类似的结果( Fig. 2). 啊!是不是很像?会不会就是和气液相变一样?但实际情况更复杂的多。虽然我们可以得到不同 Pe 的值下, Φ 的分布像极了伊辛模型中序参量的分布 ( Fig. 3), 又或者定义一个”真正的”序参量可以得到有趣的行为,甚至能够计算一些从平衡态相变的理论中假借来的量。如一些临界指数。 Fig. 2 共存线。左 主动布朗粒子系统中的共存线 ;右 气液相变中的共存线 . Fig. 3 不同 Pe 值下的 Φ i 的概率分布 3. 一切才刚刚开始 虽然这些开创性的研究已经得到了一些令人振奋的结果,但我们想要通过从我们已知的模型来给我们一些提示的时候,我们收获了惊喜。然而,一切才刚刚开始,大幕才刚刚拉开。虽然我们不知道最终我们会被引向何处,但是,我们知道,越多的未知意味着越多的动力。当我们在思考如何更好的定义非平衡相变,或者是否存在非平衡的相变普适类的时候,我们总是应该激动些才好:看,很近的将来,没准就有惊喜呢? 注:此文只是一个简单的介绍,省略了许多细节, 如有兴趣可以从参考文献中找到。 References: Demian Levis, Joan Codina and Ignacio Pagonabarraga, “ Active Brownian equation of state: metastability and phase coexistence ”, Soft Matter, 13 , 8113(2017). Jonathan Tammo Siebert et.al. , “ Critical behavior of active Brownian particles ”, arXiv preprint arXiv:1712.02258 (2017). T Speck, J Bialké, AM Menzel, H Löwen, “ Effective Cahn-Hilliard equation for the phase separation of active Brownian particles ”, Phys. Rev. Lett. 112 , 218304 (2014). Digregorio, Pasquale, et al. Full phase diagram of active Brownian disks: from melting to motility-induced phase separation . arXiv preprint arXiv:1805.12484 (2018). Joakim Stenhammar et.al., “ Phase behavior of active Brownian particles: the role of dimensionality ”, Soft Matter, 10, 1489 (2014). Leticia F. Cugliandolo et.al., “ Phase Coexistence in Two-Dimensional Passive and Active Dumbbell Systems ”, PRL 119, 268002 (2017). Johannes Blaschke et.al., “ Phase separation and coexistence of hydrodynamically interacting microswimmers ”, Soft Matter, 12, 9821 (2016). H Watanabe, N Ito, CK Hu, “ Phase diagram and universality of the Lennard-Jones gas-liquid system ”, The Journal of Chemical Physics 136 , 204102 (2012).
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一种基于固液相变多缸循环的新型热机即将问世
热度 9 kiwaho 2018-7-13 07:14
一、热机的种类 热机的种类不是那么多。自蒸汽机发明以来的科技进步史,见证了种类创新之艰难。 传统物理热机类,绝大多数都是基于液气闭合朗肯( Rankine )循环,少数是气相循环的,例如斯特林( Stirling )热机; 燃烧类热机,则为开环式燃气消耗性循环,如内燃机、气轮机等。 我不满足于在现有种类上,搞小改小革的发明,干脆一不做二不休,直接创造革命性的新种类: 固液相变 多缸封闭循环的新一类热机。 为何现有机种没有一个胆敢甩掉气相呢? 惯的 ,全是惯的,都被大气磅礴的膨胀性 惯坏了 。就连教科书表述热力学全部定律时,都要指明气相的存在! 固相被认为流动性差,没法参与高速 传质 循环,虽然 传热 还凑合。现有热力学定律表述全部避谈固相,尽管这样,我仍认为全部定律照样适用含有固相环节的循环。 固相和液相在经历非相变状态过程时,热胀冷缩的尺度甚至小至肉眼不察的程度。若非特立独行的科学家,岂敢用这个相态做功!好在相变过程的体积胀缩还算看得到,尽管大部分物质的变化率不到 10% 。 别说 当初瓦特发明蒸汽机的年代,现代热力学学术权威们,又何曾看得上这么不起眼的膨胀率呢。 所以说,任何人只要抛弃气相做出热机,发明者就算是开辟了一个新种类和一片新天地。 二、新种类什么情况? 当今所有种类的热机,有一个共同的特点:做功一定是通过气体膨胀实现的。 我认为,这也正是现有机种的效率,绝大多数达不到卡诺效率一半的原因。而且,低密度气相的存在导致体量庞大、功率密度低,甚至循环过程的质量守恒,也不见得能保障,例如热电厂尽管有高耸入云的冷却塔,仍然难免排空无法及时凝水的水蒸汽乏气。有电厂经验的读者不妨晒晒数据--排空乏气的比例。 只有 不再 依赖气体膨胀做功,才能从热机的相态循环彻底去掉气相。我的新发明正是基于这一出发点,大胆采用固液相变物质( Phase Change Materials, PCM )作为工质。 除了熟视无睹的水外,人们早就熟悉的其它相变物当属做蜡烛的 石蜡 。市售的冬天用暖手器,塑料袋里装的就是相变物 醋酸钠 ,里面的小碟片用手一掰,袋子就会突然发热,凉了后放到锅里煮后,下次又可用了。 相变工质的体积变化,通常在 1% 至 20% 之间,例如水 10%,猪油15% 。这与气体膨胀的成百上千倍的体积变化相比,低了好几个数量级。 由做功表达式 W = P* Δ V 可知,要使新种类热机与传统热机的做功能力不相上下,只好堤内损失堤外补,即体积膨胀的减少,须有压力的相应数量级增加来补偿。 果然,绝大部分相变物质恰好如人所愿。例如水这个相变物质,其结冰膨胀压高达约 3000 大气压,这比热电厂的做功蒸汽压大了几个数量级。冬天未保护好的水管,常可见到冻裂的现象,仅此就可窥见一斑。据报道,有好奇人士测试 1 寸壁厚的铸铁容器的耐冻性,充满水后置于零下 30 度以下的户外,竟然也冻裂了! 其实,任何相变物质,只要有相图,就可以知其相变压力,否则只好做实验测定。学界至今尚无通用相变压力计算公式,建议相关学科带头人尝试理论推导。 适用的相变工质,必须至少有 5% 的体积变化,且越大越好。太小则被正常的热胀冷缩干扰,或者说,期待的高相变压会被热胀冷缩抵消,这类似于有用信号被无用的噪声淹没。 三、动力传递 利用相变压力做功,可有多种选择。有人会想到:直接由活塞传递此蛮力推动增速齿轮。此法固然不错,但缺点也不少,尤其不便于远程输送,以及多元做功叠加困难。 灵活性好很多的液压做功,当属上乘之策。 共轭液压单元输出的交流承压油流,经四只单向液压阀桥式整流后,再经液压流蓄能器“滤波”后,就可以推动液压马达了。 液流与电流其实是对偶的,液压与电压也这样。液压元件与电子元件还可类比:单向阀 = 二极管,蓄能器 = 电容器,等等。不象电马达那样可有直流和交流两种选择,液压马达只能是直油流,虽然交油流马达理论上可行,但制造成本太高,所以市面见不到。 任何热机要想发电,最后一级一定是发电机。相变热机的液压马达,通过转轴耦合驱动发电机。 下图为正在专利申请中的设计图(US16/021000): 四、热功效率 单缸相变热机的效率大约在 5% 至 10% 之间,依所用相变工质而定。寒碜是寒碜点,好在造价十分低廉,也不需要很大的温差。这一特点注定了适用的构型,必然是多极串联的,以便大幅度提高效率。 可以轻易证明:串联的效率提升近似线性增长。 在串联状态下,前级做功后的废热,全部当作后级的热源,所以愈往后级,被各级提功后的废热愈来愈小,直至末级进入热沉。 从不切实际的数学角度看,只要级数足够多,且每级所用相变工质的熔点等于凝固点,就能使最终废热为零,也即越狱了卡诺效率。 但实际物理上不是这样的,因为通常的凝固点要低于熔点少许。使得每级所需承接的最小温差必须大于某个阈值。 可这样间接表述热力学第二定律:任何热机的效率不得突破卡诺效率极限。 串联线形增长的良好势头,使得多缸相变热机逼近卡诺效率有了可能。 从实验结果来看,普通温差的系统, 4 缸开始就接近 Rankine 循环效率, 6 至 8 缸就开始接近 Carnot 循环效率。总温差越大,所需缸数所需越多。 五、应用前景 1、 家居太阳能发电蓄热 风靡全球的 PV 光伏电池固然不错,但不能蓄热,且 PV 连同逆变器成本高昂。 下图展示了新型太阳能集热与发电配置图。 真空热管可将蓄热材料加温至 200 °C ,当然家用热水器不需要这么高温,但用来供应热机自然就是越高越好。不妨将水箱中水替换为熔点 150°C 以上的相变物,这样更能满足相变热机对热库温度恒定性的偏好。 如此这般下来,四缸热机效率 25% 就很满意了。考虑到集热器效率和发电机效率,从太阳能到负载的系统效率仍可达 14% ,这就与太阳能发电板的硅光电池效率相当了。 2、 可充热包驱动的零排放汽车 旧时代的电车通过两根“辫子”接上头顶的电力线,如今可以剪掉“辫子”装上氢 电池 了,锂电驱动的小轿车如今也满街跑了。那么, 电池是否就是 油箱革命 后的唯一 低碳创新 选择?能否不装电池,而装上充满热量的 热池 跑 呢? 也即:不是在街上,而是“躲”在某个角落,把该烧的燃料一次烧完,将烧出来的热能预存到 热池 里。 上街跑的时候,再带上它作动力慢慢消耗;凉了后,再找个地方 充热 至饱满,以便下次继续上路。 尽管 热池 对 电池 ,名字很对仗,但没人用就绕口,不妨用家喻户晓的语言,通俗地称之为 烧包 。 我发明的革命性新种类热机,吹响了 烧包机车 时代即将到来的号角! 马斯克的电动车虽然叫得响,死穴也是明摆着的:昂贵的锂电池包! 我的这一发明,必将以两大优势:低廉的成本 + 充热方法的灵活多样性,正面挑战锂电池汽车。 从有效能量密度来看,两者可做到旗鼓相当。这得看我的这个大烧包保温瓶中装的是啥相变材料了。计算如下: 相变储能材料选用锂基化合物: 20% LiF + 80% LiOH ,熔点 427 °C ,此温下的理想卡诺热机效率 57%(假定春天气温) ,熔化热 1163 kj/kg = 323 wh/kg 。 不敢奢望卡诺效率 57% ,但假设用 8 缸相变热机可逼近至 50% 效率,则可输出机械能密度约 160 wh/kg 。忽略保温热包的泡沫绝热材料和容器的重量,可见这个数显然与锂电池不分伯仲。所以,若特斯拉 Model S 的 540kg 的锂电包,充满电能 85kwh 跑 430km ,则我这个等重的烧包车充满热能后,也应该达到这个谱。 研究遍所有相变材料,要在这个四百多度的温区,达到与锂电池同等能量密度,还真只有上述含锂化合物可以达到。尽管这样,烧包的成本还是远低于锂电,而且省去了锂电必不可少的配套贵金属钴。 注意 :烧包内的相变物质,是以储能为目的,希望相变导致的体积变化率越小越好,以免胀破烧包。所以,不要称之为工质,免得与做功的缸内 相变工质 混淆。 只有一项指标,我甘拜下风:能量静置慢漏。锂电半个月不用,漏电率估计不会大到开不动车了;而我的烧包静置 4 天后也许凝固了,最好重新充热。 所以说:烧包充热完后,因该尽快用,不要闲置。这跟开水保温瓶一个道理,不要放到 2 天后再拿去泡茶喝。 既然这样,索性将这种另类新能源车,配置成 70kg 的 小烧包 续航里程仅 50km ,主打上班族市场,早晚用 2 次上下班,回家每天充热。这样就没有必要向锂电能量密度看齐,放弃不便宜的锂基相变材料,专挑廉价的即可,例如硝酸钾等熔点相似的熔盐。 至于充热方式,那就多得很。最简单的就是:烧包内置大功率电炉丝,市电插头,方便随处可充。因为相变热机效率高到可与热电厂媲美,所以用市电充热仍是绿色环保的,就算热电厂烧煤,环境也不吃亏。 要达到更大的灵活性,烧包内应该内嵌专用换热器,以供外部充热循环。这样的好处是,电力不足的农村车主,可以用煤或柴火炉子充热。只要做好防火措施,甚至可将炉子随车带,随时想充就充,或像电池浮充电那样浮充热。 一旦搞成浮充热,车子就相当于配置了外燃机,跑车的同时也在烧燃料。此时烧包完全可以进一步瘦身,只要断火后仍能跑 1~2km 即可。这时候的 微烧包 相当于发挥了内燃机大飞轮的作用。 车顶还可以配置一个太阳能高温集热板,此法浮充烧包不足以替代外充,但是可以节省正式外充的能耗。 车主家安装一部大抛物面聚光镜,用其给烧包充热将节省大量充热成本,是值得鼓励的零碳绿色举措! 至于未来星罗棋布的充热站,开设成本低廉,不像特斯拉的充电桩那么昂贵,充热方式店家可灵活自定,反正司机客人不用傻等,交钱换完烧包就走。 下图为第一代改装蒸汽机烧包热动车的谍照,升级改造正在筹资中。 六、与利益集团的冲突带来的挑战和机遇 利益集团最满意当今的 内燃机 了,因为这种久经考验和早已技术成熟的热机, 格式化 了燃料市场--汽油、柴油、航空油,进而使得庞大的 石化 炼油工业、相关产业供应链、道路养护税费征收紧密绑定在一起。不但格式化了市场及相关政府职能构架,同时也格式化了消费者的思维定势。 一旦高效、经济的 外燃机 或 离 燃机 日臻成熟,势必引起前述各利益集团的冲突。因为外燃机迎合了自由供给的燃料性态,完全去掉了对燃料性态的格式化。 譬如说我这个发明中提到的未来车用烧包, 离线加(充)热 的方法不限:太阳能、柴火、煤炭、汽油、柴油、电热,甚至未经提炼的原油也可设计出一种炉子来烧。即便电力不通、没有加油站的偏僻农村,也能用柴火、生物质加热烧包,不影响机动车的运行。既然这样,还要炼油厂干啥呢? 很多国家将公路的修建养护成本,分摊到汽油柴油的售价中去了。若没有格式化好的这两类油料供应市场,政府如何找到替代征收方法,确实面临挑战! 机遇是:这项技术将逐步摆脱人类对化石能源的依赖,转而使用地球表面碳循环的清洁能源,以及零污染的太阳能,其结果定会使地球温室效应、雾霾、酸雨、生态恶化等逐步改善。善莫大焉! 与内燃机几乎同时代发明的 斯特林 ( Stirling )热机,本质上就是外燃机。很早以来人们一直寄予厚望。可惜因为其固有的低效率,始终未能在效率上战胜内燃机,因而从未取得商业化的成功,仅局限于学校的原理演示 教具 而已。 可喜可贺的是:我发明的新型固液相变热机,终于在效率上战胜了传统内燃机,因而这是一项具有划时代意义的、当惊世界殊的伟大发明! 七、结语 英语的相变 phase change 与变脸 face change 是一个意思。 把固相用于热机循环的一态,也算是别出心裁,完全不按科研套路出牌嘛。 恰巧,美国总统川普的变脸威力也特别巨大--地球也要抖三抖,且从不按牌理出牌。有鉴于此,特行使发明人的命名权,将此新型热机的英文名称定为Wei-Trump engine,以表彰铭记川普的雄才大略和特立独行式思维! 值此新发明问世之际,钢铁侠马斯克,风尘仆仆赶来上海,签约他的特斯拉电动车中国生产基地。 那么,烧包和电包,哪个才是你的包?坚信不久的将来,主流的回答一定是:烧包、烧包、再烧包! 虽然形势一派大好,但 革命尚未成功,同行仍需努力! 八、合作与共赢 欢迎有兴趣的投资方,以及有志于合作研发、开拓市场的生产厂家与我联系,提出建设性、竞争性的要约(best offer)。 我将投入全部精力,誓言哪怕在要约方的实验室或工厂打地铺,也在三年内要打造出全球第一台烧包车!所以还请细化你的要约,包括这些细节:入门费、安家费、年薪酬劳、地方政府扶持政策、未来量产后的销售分成计划、合作期间的改进部分的产权归属等等。 要约方还需配备足够 人才搭档, 至少下列技术领域的工程师或专家:机械、热力学、材料、液压、工艺、优秀钳工、内嵌软件等。 我将在所有要约中,挑选出最满意的合作方,尽快奔赴第一线开展各项工作。 谢谢大家的关心与捧场!
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周四讨论班:相变与临界现象(二)(杨清鸿)
GrandFT 2018-4-25 23:04
题目:相变与临界现象(二) 主讲:杨清鸿 时间:2018年4月26日(星期四)下午5:15 地点:天津大学新校区32教学楼117室 提纲: 1.标度假定 2.重正化群 3.固定点和指数 参考书:马上庚《临界现象的现代理论》
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周四讨论班:相变与临界现象(一)(杨清鸿)
GrandFT 2018-4-11 22:35
题目:相变与临界现象(一) 主讲:杨清鸿 时间:2018年4月12日(星期四)下午5:15 地点:天津大学新校区32教学楼117室 这一讲主要以直观的物理图像为主,不会有过多繁琐的计算过程,不需要过多的基础,算是为数不多轻松愉快的讨论班了! 提纲: 1.临界现象发展历史概述 2.基本概念与临界指数 3.平均场理论 4.金兹堡-朗道形式 参考书: 1.马上庚《临界现象的现代理论》 2.于渌 郝柏林 陈晓松 《相变与临界现象》
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伊辛模型I --- 从概率分布到相变
zhongwei2284 2018-4-3 14:15
1. 引子: 一个课堂测验 Vs 伊辛模型 现在我们先玩一个测试游戏,想象一下现在我们要给一群小学生做某种测验,上面有许多题目,每道题都只是判断对错,每道题如果答对了正确答案记为 1, 答错了则记为 -1 ,但是题目几乎都是初高中甚至大学的问题。学生一共有 100 个,一共分十列坐着,每列 10 个学生。每个学生前面有一台电脑,测试在电脑上面进行。规则如下: a 每个学生的电脑上面会显示一些别人选的答案,但也只是会显示周围四个人的答案 ; b 每道题答题时间 3 分钟,在到时间前可以根据周围同学的答案对自己的答案进行修改 ; c 每道题上面标注了相应的奖励分数,游戏结束后根据所得到的奖励分数领取相应的奖品,当然分数越高奖品越好 ; d 坐在边上的同学只能看到他周围 3 位邻座同学的答案,而坐在角落的同学只能看到周围两位同学的答案。 最后,测试结束后,每个同学在不同奖励的题目上面的平均分数会是多少呢?很有可能出现如图 1 所示的情形。即当某道题目奖励分数很高的时候,要么大多数人都答对,要么大多数人都答错 ; 而当某些题目没有奖励或者奖励很少时,平均的分数很可能是 0, 因为大部分人都觉得无所谓,加上题目又不知道它的真实答案,索性随便蒙一个,而周围的人的答案也没什么分析和参考的必要了。 啊,其实这个就是现实版的伊辛模型呀!只不过,伊辛模型里面没有学生,有的只是自旋,奖励的倒数类似于温度,每个’小磁针’可以朝上也可以朝下。到底是怎么回事呢?我们跑到伊辛模型里面去看看吧! 图 1 测试的可能出现的每道不同奖励的题目的平均分数。当然,现实肯定不会是完全这样,并且由于人的因素比较复杂,结果必然更加复杂。 2 伊辛模型及其模拟:以二维为例 伊辛模型是统计力学中最为人所熟知的模型之一,它一开始用于描述物质的铁磁性,模型中包含描述单个原子磁矩的参数σ i , 其值为+1表示自旋朝上,-1则表示自旋朝下。其哈密顿量可以表示为 其中,J为相互作用参数,h为外场强度,ij表示近邻相互作用,即每个自旋只与周围最近的自旋有相互作用,二维模型中周围一共有四个'邻居'。 1924年的时候,伊辛证明了该模型的一维情况是没有相变的,以后也是以伊辛的名字命名了该模型。然而,需要指出的是,如果这个模型任何维度上都没有相变,那就无趣了。还好,事实证明该模型在大于1维的空间中会出现相变,从此,一股伊辛模型的相变的探索狂风吸引了许多科学家,从该模型中取得的成就也是统计力学中的重要一章,我们对于相变现象的理解从这里开始更加深入了。从早期各种平均场论的理论,到后来昂萨格给出的二维条件下的伊辛模型的严格解。伊辛模型带来了许多振奋人心的进展。与此同时,人们开始把这个手中把玩的'玩具'变成了有用的工具,它被用到许多的现象中,如合金中的有序-无序转变、液氦到超流态的转变、液体的冻结与蒸发、玻璃物质的性质、森林火灾、城市交通等等。需要提及的是对于三维伊辛模型的严格解,至今都没有得到。因而,计算机模拟成了研究伊辛模型的重要手段之一。那如何模拟伊辛模型呢?我们先来看看最常用的算法之一,即Metropolis 算法是如何模拟伊辛模型的吧: a 首先要建立格点,给每个格点一个初始化的值; b 随机选择第i个自旋,如果该自旋是朝上,即 ,假设该自旋翻转即 σ i 的值从+1变成了-1,计算翻转前后能量的差值ΔE,如果 ΔE =0,翻转成功,否则翻转成功的几率为 .T为系统的温度。 c 进行相关参数的计算。 当然,在开始计算相关参数之前,需要有一个预热过程,即先让系统达到平衡态。 图2 不同温度时二维伊辛模型的平衡态时的图像 图3 利用Metropolis算法计算得到的平均磁化强度随着温度的变化图,系统尺寸为L=20. 3. 边界条件的影响 边界条件对于计算模拟来说,有时候也是相当重要,对于不同的研究课题如果选错了边界条件可能得到的结果会有点出入。对于伊辛模型而言,大多数情况下,我们会用周期性边界条件,有时候也会用到例如引子中介绍的那样,也就是假设周围的自旋不存在,我们称之为自由边界条件。尤其对于存在二级相变的系统,有限的尺寸以及不同的边界条件对临界点处的行为有不小的影响。常见的边界条件如图4: 图4 不同的边界条件。a中左边的为普通的周期边界条件,右边的则是扭曲的周期边界条件;b中一个是自由边界条件,另一个则是半周期半自由边界条件;c是边界加外场的边界条件。 假如我们更关心一整个系统的性质,常常选择的是周期边界条件(a);在研究一个系统的自由边界的时候,常常用的就是自由边界条件(b);在研究浸润等现象的时候,需要在某个边界加入外场(c)。总之,边界条件的选取有时候需要花点时间思考思考。要不然有时候可能会得到一些不一样的结果。 4. 从概率分布到相变 总算到了这里!对于伊辛模型的大多数的结果,如能量随温度的变化,比热随温度的变化等,不难得到,因而第2节只是给出了一个磁化强度的结果。而这篇博文其实最想关注的是分布,什么的分布?当然是磁化强度啊! 图5 磁化强度随时间的变化,T=Tc 我们先来看看磁化强度随时间的变化(T=T c 为例,图5),这就是一个随即变化的时间序列,通过这个变化的序列,我们可以得到不同温度下磁化强度的分布图(图6)。 图6 磁化强度的分布随着温度的变化 哈!看呀,不同的温度下的分布原来长这样。其中,当 的时候,分布是两个高斯分布的叠加,而当温度高于临界温度的时候,磁化强度的分布原来的高斯分布呀!原来在相变发生的时候,磁化强度的分布也发生了有意思的变化!!至于这种分布产生的变化会带来什么影响呢? 相变的发生伴随着对称性的破缺,此时高斯分布不再,磁化强度在临界点会出现 反常扩散 ,这又是怎么一回事?我们将在下一篇博文中介绍。 利用得到的分布随着时间的变化,我们还可以得到自由能随着温度的变化呢!利用公式 得到自由能的结果如图7所示: 图7 由磁化强度的分布随温度的变化得到的自由能随着温度的变化图 结果有没有让你想起相变的朗道理论呢?当相变的发生,自由能也发生改变,类似于一个小球在势井中,温度较高的时候,它喜欢在势井的最低点附近转悠,当温度降低到发生相变时,小球不得不做新的选择了,此时有了两个最低点,有时候它会跑到左边的最低点附近溜达,厌烦了它就去右边的最低点附近转转。 当然,有时候我们只对相变点发生的故事感兴趣,这时候利用标度变换,我们可以得到更多关于伊辛模型的规律(图8)。 图8 不同系统尺寸L下,伊辛模型中磁化强度随着温度的变化规律。其中β=0.125是磁化强度的临界指数。 5. 只是个开始 虽然伊辛模型已经被研究了快一百年了,但是里面还是有一些很有意思的事情等着我们去了解。也依然还存在着一些未知的秘密。这只是个开始,不是结束!! 参考文献: K.Binder and D.W.Heermann, Monte Carlo Simulation in Statistical Physics: An introduction M.Newman and G.T.Barkema, Monte Carlo Methods in Statistical Physics
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Ising model
richor 2018-3-26 15:22
Ising model 是一个最简单的连续相变模型。 对应的实际问题是 铁磁性物体 的相变性质。 Ising 模型的这种处理方法被归为 { 统计物理 } 中,大概就是从微观出发,得到系统的宏观量的性质。使用的工具主要是概率论。 实验上铁磁物体有居里温度,自发的! 一维没有相变,可以这样考虑: 10000个格点体系,全部朝上,然后某一个朝下,最后一直到一半朝下,都在一侧。整个过程能量几乎没怎么变。即,可以找出一种方式,可以连续的将系统从全部朝上解放出来,不需要花费多少能量代价。 二维情况: 100x100个格点体系,则从全部朝上到高温相的某个状态至少要反转 100 个,那么需要克服的能量足够大,足以保证全部向上成为一个稳定的相了,也就可以产生相变了。 其完整形式: i,j为相邻的格点。 对于最简单的情况,没有外场,且均匀体系来说: 其居里温度为: 【历史】 The Ising model was invented by 德国慕尼黑大学物理学家 Wilhelm Lenz in 1920, who gave it as a problem to his student Ernst Ising. The one-dimensional Ising model has no phase transition and was solved by Ising in 1925. The two-dimensional square latticeIsing model is much harder, and was given an analytic description much later, by Lars Onsager in 1944. 期间的一些八卦历史,杨振宁做出了重要贡献: http://blog.sina.com.cn/s/blog_535cdfad01014emf.html 【铁磁性】 铁磁性,是指物质中相邻原子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域(磁畴)中大致按同一方向排列,当所施加的磁场强度增大时,这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。 到目前为止,仅有四种金属元素在室温以上是铁磁性的,即铁,钴,镍和钆。极低低温下还有五种元素是铁磁性的,即铽、镝、钬、铒和铥。 (磁铁吸引铁末,本来铁末是没有磁性的,但在外加磁场下,磁畴就有了定向排列,于是导致铁末有了磁性,磁磁相互作用就有了。) 铁磁性物质一个明显的特征是磁滞回线: 当外加磁场去掉后,材料仍会剩余一些磁场,或者说材料 记忆 了它们被磁化的历史。这种现象叫作剩磁。这就是磁铁制作的原理。因此可以说,磁铁是由磁铁制作的,大磁铁可以制造小磁铁。 【微观解释】 首先,是由外斯的分子场假说进行解释的。外斯的假说取得了很大成功,实验证明了它的正确性,并在此基础上发展了现代的铁磁性理论。 1907 年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说,其主要内容有:铁磁物质内部存在很强的“分子场”,在“分子场”的作用下,原子磁矩趋于同向平行排列,即自发磁化至饱和,称为自发磁化;铁磁体自发磁化分成若干个小区域 ( 这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴 ) ,由于各个区域 ( 磁畴 ) 的磁化方向各不相同,其磁性彼此相互抵消,所以大块铁磁体对外不显示磁性。 根据 共价 键理论 可知,原子相互接近形成分子时,电子云要相互重叠,电子要相互交换。对于过渡族金属,原子的 3d 的状态与 s 态能量相差不大,因此它们的电子云也将重叠,引起 s 、 d 状态电子的再分配。这种交换便产生一种交换能 E ex ( 与交换积分有关 ) , 此交换能有可能使相邻原子内 d 层未抵消的自旋磁矩同向排列起来 。量子力学计算表明,当磁性物质内部 相邻原子 的 电子交换积分 为正时 (A0) ,相邻原子磁矩将同向平行排列,从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。而电子交换积分为负时(A0),则对应于反铁磁。 【应用】 除了可以解释铁磁相变,扩展到巨正则系综,可以解释合金生长问题。 http://blog.sciencenet.cn/blog-915-5524.html 【连续相变】 首先,相变点可以两相共存,则两相的化学势应该相同,也就是化学势是连续的。 一级相变,指的是化学势的一阶导数不连续。 化学势的n阶导数开始不连续,则为n级相变。 https://wenku.baidu.com/view/00c0662cbd64783e09122b62.html 可以参考,但不完全对。 化学势的变化关系见下图: 很形象。 这也是为什么Ising model中的极值点就是临界点的原因。 Potts model 临界点的求解也是用的此思路。
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[转载]Cascading Failures as Continuous Phase-Space Transitions
Fangjinqin 2018-1-2 15:09
PhysRevLett.119.pdf
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地压梯度研究系列及重点
Michaelhu 2017-6-15 18:37
1)地压梯度研究系列:岩石圈中地压梯度 -- 降压 -- 相变 -- 构造控岩控矿(水相变控矿(藏)、地震)。 2)相变线及端点的行为:理化性质的突变与渐变,反应的平衡与非平衡,结构的无序和有序(含动态有序)、自组织过程等。
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Tsai型准晶1/1近似相相变-Cd6Yb
liudan2004sd 2017-2-26 00:51
名词解释: 近似相:和准晶有相同的结构单元的,成分相近的合金化合物。近似相对于确定准晶结构,研究准晶物理性质有重要的意义。 2007 年 Takakura 等人第一次解出准晶的确切结构,就是在 Cd-Yb 的 1/1 和 2/1 的近似相的结构解析结果基础上完成的。关于近似相的符号,如 1/1 , 2/1 , 3/2 , 5/3 ……,可以参考一维菲波那切数列。 顺便简单说几句 XRD 解准晶结构。准晶结构解析涉及到高维晶体结构解析及精修,难度较大。对于 Tsai 型准晶,由于其三维结构都具有准周期,所以需要在六维空间上进行结构解析。而且由于准晶很多衍射斑点信号非常弱,只能用同步辐射光源才能得出,所以不论技术上还是理论上都有很大难度。 目前从事这方面相关工作的,只有日本的 Takakura , TsunetomoYamada ,还有法国的 Marc ,瑞典的 Cesar 可能也在做。在波兰 Krakow 参加 IQC12 时,有一天晚上一起吃饭时, Cesar 闲聊时透露,他曾听诺贝尔奖化学评审委员会的人说过,之所以在 2011 年才把奖颁给 DanShechtman ,一个重要的原因是准晶结构直到 2007 年才被真正解出。可见准晶结构解析的意义确实很重大。 文献内容: 这篇文章主要是通过电阻、热容以及电子衍射实验,发现了 Cd6Yb 在低温下约 100K 发生的相变。合金的电阻和热容在此温度下发生突变,粉末衍射出现分裂峰,电子衍射图谱在衍射点之间出现 superlatticepots 。该相变据信是 Tsai 型团簇内的正四面体在低温下停止转动,并且由于空间效应,偏离了二次对称轴,从而造成了整个团簇以及晶格的“无序”。 Cd6Yb 高温结构属于 IM-3 空间群,低温结构尚未解出,但是根据电子衍射结果推测属于 C2/c 空间群(不确定,待查)。 点评: 这一相变从 2002 年被发现到现在,已经被研究了将近 15 年。一方面是因为属于 1/1 近似相体系的晶体较多;另一方面这一相变可能与准晶的稳定性有关。 2012 年, Tamura 、 Kim 等人又在这一相变的基础上,发现了磁结构转变引起的结构相变。关于准晶及其近似相的磁结构,目前主要是美国 Ames 实验室的 AlanGoldman , AndreasKressig ,以及法国的 Guillaume 在做。
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岩石圈的地压梯度研究思路
Michaelhu 2016-9-21 01:41
岩石圈的地压梯度,总是与地温梯度、物质组成、相态、物理性质和体系性质等密切相关,也是复杂多变的,也很重要,也是岩石圈研究的一根支柱。岩石圈地压梯度有成倍幅度的变化,影响岩石圈中许多地质作用的解释。 特别是会引起相变。如发生固-固间的相变则影响变质作用的解释,发生固-液间的相变则与岩浆作用有关,发生气(超临界流体)-液间的相变则影响成矿(藏)作用、甚至还与地震触发有关。岩石圈的地压梯度和相变线(含临界点和三相点两端点)上的行为,有特别重要的研究意义。 当然也会引起化学反应和物理性质变化,对盆地演化和岩石变形等产生很大影响。 (算是18年来岩石圈地压梯度研究小结。自言自语 )
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维权:“相变、成核与空化”的节译版权
seisman 2015-12-28 13:25
维权:“相变、成核与空化”的节译版权 陈立军 用“相变、成核与空化”好搜一下,出现如下诸多网址推介、甚至是推销同一个版本的文章, 51 页,均是由本人博客中的 8 篇博文统编而成,均未告知本人,亦未注明出处。 对此,本人表示遗憾和强烈的不满! 请朋友们告诉我一下:能否挣得我的节译著作版权及相关利益,谢谢! 2015.12.28 参考网址: http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=552558do=blogid=946277
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维权:“相变、成核与空化”与“球泡动力学”博文的版权
seisman 2015-12-27 22:18
维权:“相变、成核与空化”与“球泡动力学”博文的版权 陈立军 本人发现,在“百度文库 专业资料 工程科技 能源 / 化工”栏目下 http://wenku.baidu.com/view/96b47cf6f90f76c661371a63.html?pn=51 有一篇文章《相变、成核与空化》, asdf0302 上传 2012.3.25 这篇文章是从科学网陈立军的博客中 8 篇译文统编而来的,是博主本人的原创译著,未经本人同意,也未注明出处,而且还是收费的,当属侵权。 原文出处如下 20110806 http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-472526.html 相变、成核与空化( 1 ) 20110815 http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-475517.html 相变、成核与空化( 2 ) 20110820 http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-477723.html 相变、成核与空化( 3 ) 20110823 http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-478764.html 相变、成核与空化( 4 ) 20110904 http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-482848.html 球泡动力学 ( 1 ) 20110910 http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-484797.html 球泡动力学 ( 2 ) 20110910 http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-485009.html 球泡动力学 ( 3 ) 20110911 http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-485368.html 球泡动力学 ( 4 ) 请有关涉事方面做出合理的解释。 也请懂得法律的朋友告诉我应当如何维护我的版权,谢谢! 博主:陈立军( Seisman ), 2015.12.27
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感谢“中科院科学智慧火花”:某些NPI 可能是处在相变边界的NPC
热度 16 zlyang 2015-12-24 12:11
感谢“中科院科学智慧火花”: 某些 NPI 可能是处在 相变边界 的 NPC 从王 小平 老师的博客里 , 看到2015年 Knuth Prize 得主,芝加哥大学的数学和计算机科学教授 László Babai 宣布他 想出了一个新的解决“图同构”问题的算法——这个问题在计算机科学中算得上是最诱人的奥秘。 一时兴起,偶有心得,蒙“ 中科院科学智慧火花 ”审查,给予贴出: 感谢并祝福“ 中科院科学智慧火花 ”! 核心: 某些NPC,随着数量关系的增加,存在从P到NPC的相变。猜想:某些NPI可能是处在相变边界的NPC。 “约翰逊 图 Johnson graphs ” 会不 会是NPC 的? 以上想法,不是深思熟虑的结果。只是一时的心得或猜想。 相关链接: 王小平,2015-12-18, 著名数学家宣布解决算法难题,或打破30年僵局 http://blog.sciencenet.cn/blog-1225851-944276.html Erica Klarreich, December 14, 2015, COMPUTER SCIENCE, Landmark Algorithm Breaks 30-Year Impasse, Computer scientists are abuzz over a fast new algorithm for solving one of the central problems in the field. https://www.quantamagazine.org/20151214-graph-isomorphism-algorithm/ László Babai, Submitted on 11 Dec 2015, Graph Isomorphism in Quasipolynomial Time http://arxiv.org/abs/1512.03547v1 László Babai's Home Page - Departments of Computer Science and Mathematics, University of Chicago http://people.cs.uchicago.edu/~laci/ Complexity theory. G. RozenbergA. Salomaa (originator), Encyclopedia of Mathematics. http://www.encyclopediaofmath.org/index.php?title=Complexity_theoryoldid=14425 NP. Hubertus Th. JongenKlaus Meer (originator), Encyclopedia of Mathematics. http://www.encyclopediaofmath.org/index.php?title=NPoldid=15503 Algorithm, computational complexity of an. N.V. Petri (originator), Encyclopedia of Mathematics. http://www.encyclopediaofmath.org/index.php?title=Algorithm,_computational_complexity_of_anoldid=1756 4 2015-05-22, The kernel of P vs NP Problem: Axiom of power set! http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-892400.html 正式的介绍材料之一,2012-03-23, P对NP:请郝克刚教授等专家指教(一) http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-550859.html 科学智慧火花,2011-08-30, “ P对NP ”难题研究的形转 换新思路 http://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=1275#d1 感谢您指正以上任何错误!
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愚问:火山爆发过程中是否存在明显的相变现象?!
热度 2 zhangxw 2015-9-6 17:37
愚问 : 火山爆发过程中是否存在明显的相变现象 ?! 张学文 ,2015/9/6 当我们从地下打出了石油时 , 我们认为是液体的石油从地下到了地面。 当我们打上来天燃气时,我们也认为是高压的天燃气到了地面。这些过程不存在物质的相变。 现在我的问题是当火山爆发时,它是简单地高压物质摆脱了压力而窜到了压力比较低的地面呢,还是在火山爆发中包括了物质的相变以致触发了某些化学变化? 地球上最明显的自然相变过程就水汽形成降水(雨滴、雪花、冰雹)和蒸发现象。难道火山爆发也包括相变? 在物理和化学的视角下,火山爆发过程的含义是什么?
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液气相变后潜热藏哪里?--原子动力学一瞥
热度 2 kiwaho 2015-1-29 10:28
液态水吸收大量热能后蒸发成水蒸气,然而温度不见升高。好奇的人会问潜热藏哪里呢? 这个问题要由原子动力学来回答。 原子由原子核和核外电子云构成,核外电子绕核高速旋转。这是中学生就知道的基本科学知识。 凝聚态是宇宙物质存在的普遍形态。这个道理也不难懂:构成物质的基本粒子,也喜欢像人类一样凑热闹,扎堆抱团取暖天经地义。但扎堆也要讲游戏规则,否则就闹成今年跨年夜的上海滩踩踏死人的惨剧。扎堆大的原则说通俗一点即是:让人活,也让己活,不要过分亲近,留足最低生存距离。 电子为什么要绕核高速旋转?用经典的旋转离心力平衡库仑吸力当然讲得通。其实从另外一个角度来讲更形象,如果把原子当作一个生命体的话,这就是生命的本能嘛:电子如果不在核外高速巡逻,众核中央们岂不要推推搡搡挤在一起?那谁都别想活出一口气! 因而电子是原子的卫兵。卫兵护主的天职,并不妨害不同原子的电子卫兵之间结为好友,即形成化学键。 人在空旷的地方,心里防范性就低。同理,原子在空旷的地方,电子卫兵也会本能地放松警惕,尽量回到原子核心周围悠哉游哉其乐融融。想想也是,外面没有其它原子与你抢地盘,电子跑到老远的轨道上警戒真的没必要,回巢休息洗洗睡得了。当其它原子靠近之时,电子就该迎上去,画出更大的电子云,以防止被入侵。 即物质密度减小,分子/原子距离增加,电子轨道半径缩小,库仑吸力加大,离心力要相应加大,电子速度必须增加,电子动能增加。反之亦然。 按上述推断,相对液态水来说,水蒸气的分子之间非常稀疏,因而各原子的核外电子会尽量往里缩,电子转速提高。增加的动能积分,正是气化潜热的藏身之处! 那么摊到每个电子头上,储藏的潜热,使得动能到底增加多少呢?电子提速多少呢?这是可以估算出来的。 上一篇博文提到,光谱实验观测结果摊到每个水分子的潜能约为0.4eV。 1个H2O分子共有18个重子(质子+中子)以及10个电子。这里的潜热能悄悄藏到那10个电子里去了,而不是用来给重子增速的,折腾重子或者说整个原子,做布朗热运动是显热干的事。因而每个电子平均拿到0.04eV。 事实上这10个电子分布在不同能级的轨道上,平均分配0.4eV理论上是不合理的,但作为估算无所谓。 动能公式为: E=0.5*m*v*v。两边求微分,再求速度增量可得dv=dE/(m*v)。 已知:1eV=1.602*10^(-19)J(焦耳), 电子质量约10^(-30)kg,波尔氢原子轨道速度=5000km/s=5*10^6m/s。 代入前述微分式得到: 速度增量dv= 0.04*1.602*10^(-19)/ =1360m/s,即1.36km/s。 原电子速度5000km/s,增速变化仅仅1.36km/s,算成百分比近千分之0.3,显然微不足道。但可以注意到: 电子绕核速度仅微小变化,即可吸纳较大的潜热能。 在凝结过程中,物质密度增加,分子/原子距离减小,电子轨道半径增大, 库仑吸力减小,离心力相应要减小, 电子速度必须减小,电子动能减小。或者说此时电子要发生能级跃迁。高能级跃迁到低能级必然释放出光子。也可以理解为轫致辐射,减速扔掉的电子动能以光子形式释放。 储存在电子轨道里的动能增量即潜热能,最终就是在凝结时以热光子释放而收场!
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央视曝光55°杯骗局
热度 8 冯用军 2015-1-26 10:59
老冯故事会iStory of Feng(冯用军说创新)之“‘H-t’还有多少骗术?”(今日说法) 唐山著名教育学者、河北历史文化讲师、中国最年轻资深大学评价专家、中国高考考研辅导专家 国家自主招生考试推荐专家 领袖教育学家 冯用军博士 55°高科技神奇变温水杯,是科技骗术还是文化创意? 就其宣传而言,这是一个伪科学产品;就其本身而言,这是一个文化创意营销 导读: 近日,一款被称为喝水神器的变温水杯“55度杯”,因其神奇的功能成为了人们关注的热门话题。无论是热水、还是冷水,只要倒入杯中,摇一摇,就可以变成适合人们饮用的55度温水,神器真的这么神奇吗? 材料: 现在就让我们来看一下记者的调查。 【正文】(55度杯宣传片)声音来源:55度杯产品经理 “早起第一杯是喝隔夜水还是刚烧开的沸水,喝前摇一摇,55度杯瞬间让你喝到温开水,凉水倒入水中摇一摇,瞬间变成温开水。这一切只为了让你随时随地的喝到健康的55度温开水。” 简单的介绍,让我们见证了一款变温水杯的神奇。这款由“北京五十五度科技有限公司”自行研发、设计、生产的第一款“快速变温水杯”,瞬间因其强大功能在网络走红。成为了各大电商的新宠。虽然水杯298元到300多元的售价远远高于市场上大部分的保温杯,但是其神奇的效果,依然受到了消费者的热捧。甚至出现“10分钟售罄”、“货源不足”这样的局面。记者查看了55度杯淘宝官方旗舰店,本月销量在7000个左右,在其合作的电商首页上,这款水杯也已经跃居户外水杯销量第一。水杯的功能真的如宣传中所说的这般神奇吗? 记者拿着自己购买的正版55度水杯,来到了北京理化分析测试中心,对杯子的升温和降温效果进行了检测。在倒入100度沸水后,水杯摇一摇,一分钟时间,温度的确降到了55度左右,随后,记者又在杯中注入冷水,经一分钟的摇晃,水温仅升至34度,并没有达到宣传片中的55度。而经过降温升温这一个过程后,必须间隔一个小时左右,杯子才能再次出现降温功能。也就是说降温和升温必须满足特定条件,并没有宣传中所说的那么随心所欲。网络上也出现了“不保温、降温升温效果不好”、“凉水变温也只是不凉而已”、“最多算是凉水不温了”,“忽悠人”等使用者的大量差评。 同时,记者测量了装满水后杯子的重量在900克左右,约等于两瓶普通瓶装矿泉水的重量,而它的储水量仅为280毫升,不足半瓶普通矿泉水的水量。降温时,使用者需要摇晃相当于两瓶矿泉水重量的水杯,这也引发了使用者的吐槽。 【同期】街采 使用感受就是晃的时候手腕会疼。 【同期】街采 又大又重使用起来不方便。 【55度杯真相调查】记者独家解密“高科技水杯” 【导语】 面对使用者的质疑,55度杯官方称,水杯是具有实用新型专利的高科技产品,其核心就在通过相变材料实现升温和降温的功能。所谓“相变”,简单说,也可以理解为物质状态的变化,如固、液、气三相的变化,就是相变的典型代表。而这款水杯是否真的如生产商所说,是一个含有相变金属材料的高科技产品,记者又进行了调查。 【正文】 在55度杯的官方宣传页面中,记者看到这样一段介绍“在食品级不锈钢夹层中,我们贮存了一种微米级传热材料,会随着温度的变化发生可逆的固液转换”。根据这一介绍,记者在北京理化分析测试中心专业技术人员的协助下,对杯子内胆中的液体进行了试验,结果发现,无论是将液体放置于沸水中,还是从沸水取出立即放入冰水中,停留一段时间后,杯中液体并未出现所谓的“固液转换。”而就杯壁和杯中夹层液体是否含有物理相变材料,记者也委托了技术人员做了专业的检测。 结果显示,55度杯杯壁的主要成分是铁、铬、镍,比例分别问12:3:1。 【同期】中国科学院物理研究所研究员 吴光恒 这个从个人来说 非常像咱们家庭和食品用的那个不锈钢 【正文】 检测报告同时显示,杯中填充液体大部分为氯化钠水溶液,并有少量固体二氧化钛和氧化铁,有机物检测中,总有机碳含量为37.31mg/L。 【同期】中国科学院物理研究所研究员 吴光恒 根据这个检测报告 它这个液体 主要是水 然后就是里面有大量的氯化钠 也就是我们说的食盐,而且是浓度非常高的氯化钠的水溶液。然后它在液体中检测到的比较少的有机物 它的碳含量是大概百分之三的样子 而且有极少量的固体物质 在这个液体中 检查报告认为是二氧化钛 和氧化铁 但是这个一点点的固体物质 它即使发生了相变 它所造成的物理影响 比如说升温和降温 是可以忽略不计的 。 【正文】 调查到这里,55度杯的真相已逐渐浮出水面。普通的铝合金,夹层中的大量盐水,却被冠以高科技产品的名号。 同时记者又查找到了55度杯对外出具的一份实用新型专利证书,称与此专利拥有公司是技术入股的战略合作关系。在这份专利的介绍中写到快速降温保温杯的特征在于,相变金属填充于导热层与隔热层之间,相变金属快速吸收热量并融化,热水温度降低。无论现象的物理观测,还是检测中心的实验结果,都与55度杯公司所出具的这个专利不相符合。 【同期】中国科学院物理研究所研究员 吴光恒 专利里有最明显的一条 利用了相变金属 而根据这个检测报告 里面所有的金属 我认为在我们日常的生活 这个温度变化的范围里 都是不会发生相变的 【同期】 中国消费者协会法律顾问 邱宝昌 你的生产完全使用了专利的技术,你才能够去宣传它是一种专利产品,而你挂羊头卖狗肉,尽管有这种专利,但你并没有用于水杯的生产,我认为这是一种不当的引用,来误导消费者。 【55度杯真相调查】现场实验 如何自制55度杯 【导语】 经检测,55度杯并未包含所谓的高科技相变材料,那又是怎么实现物理降温的呢?其实这是非常简单的物理原理,现在记者就将为你揭秘。 【正文】记者出镜 本台记者张春玲 现在呢 我就和两位科普小达人一起给大家做一个小实验 通过这个实验呢 我们就能够复原55度杯的使用原理 而我们所选用的实验材料非常的简单 日常的生活当中 您家里就有 是什么呢 就是自来水 【正文】 记者同两位科普爱好者一起,将自来水作为储热材料灌入不锈钢杯壁夹层中,通过温度传感器进行检测,检测结果,开水倒入杯中能够一分钟内迅速降温至55度左右,而冷水倒入杯中后,也能够迅速升温至30度左右,这一升降温曲线,同55度杯官方给出的升温数据大体相符。而这个过程,其实就是我们物理知识中最简单的热传导原理。 (动画) 热水遇到热传导性好的不锈钢杯壁,杯壁将温度传导给温度较低的常温水,一定时间后,杯壁两侧的温度实现了平衡,这个值正好在55度左右。杯里的水升温也是同理,夹层液体温度在55度左右,通过杯壁传导给冷水,随后,冷水升温至三十度左右。 【同期】中国科学院物理研究所研究员 吴光恒 比如说热量从热的东西传给凉的 就是我们在饭馆里吃的铁板烧 或石锅拌饭 就是把铁板和石锅在火上烤的热热的 然后再把凉的菜倒进去 那不就跟把凉水倒进一个热的杯子里升温是一样的吗? 【正文】 利用这个原理,您在家中,使用两个大小不同的不锈钢容器,中间放上凉水,也可以自制一个快速的降温水杯。而55度杯宣传中多次提到的相变材料,简单解释,就是物理材料在一定的条件下,可以发生形态和结构的改变。在中科院物理实验室,记者体验了相变材料的神奇。利用相变材料制作的金属花朵,遇到热水时盛开,拿出来则含苞待放。专家介绍,其实生活中相变材料并不少见。 相关推荐 “喝水神器”55℃杯走红 市民:手快摇断不管用 55℃杯真相 喝水神器风靡朋友圈 泰安网友吐槽:没那么神 解密喝水神器55℃杯:材料成本不过5块钱 “55℃水杯”爆红乌鲁木齐 记者口碑调查:话大了
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红酒结冰的故事
热度 8 Majorite 2015-1-24 05:15
红酒结冰的故事 红酒有了香槟范儿 朋友去巴黎旅游回来送我一瓶法国葡萄酒 , 我随手倒着放到汽车里,忘了拿回屋里, 那夜车又没有停进室内车库, 留在外面。第二天待我在车里见到那瓶酒时,瓶口外面的铝锡箔套子脱落,瓶塞子蹦到边上20多厘米远,但是,车里地毯上却没有酒洒过的痕迹与气味。 这是为什么? 原来, 加拿大外面的气温太冷了, 那晚零下2 0°,红酒的主要成分是水,这个温度下,冰的比重(0.9194 g/cm 3 ) 比常温下水的比重(0.99823 g/cm 3 )约小8.6%。红酒结冰,体积膨胀约8.6%。压缩瓶顶的空气,加之玻璃瓶子的热膨胀系数比铝锡箔纸的大,于是瓶塞挤出,并造成瓶口外面的铝锡箔套子脱落。由于红酒结冰成固体,相变后不再流动,所以,我也没有损失红酒,待它化成液体, 继续喝。
个人分类: 海外生活|2256 次阅读|9 个评论
凝结过程竟然伴随着红外光子的辐射!
热度 2 kiwaho 2015-1-14 21:50
人类早在 1968年,两位科学家W.R. Potter, J.G. Hoffman,就已经在实验室发现了物质相变过程伴随着红外光子的辐射。 之后很多同行在实验室重现了两位前辈的实验结果,且推断并进一步证实蒸气凝结成液体时,其潜热本质上全部以红外辐射的方式释放。只是传统的接触式热交换器“短路”或者说掩盖了光子的辐射。 这么说天上的云朵在怄雨时,天地之间都要被这看不见的红外“火烤”? 气象学家认为上苍把降水辐射出的红外能量大部分扔到遥远的天际,小部分扔回地球,这就是为啥雨天闷热,雪天不冷的原因。 下面的沸点水蒸气凝结时的辐射测试图,摘自那两个前辈的论文。可见在1-4 μm 范围内的积分辐射强度比对应100 摄氏度的Plank 辐射至少高4 倍。其中在1.54微米出现峰值。 感兴趣的读者,可以下载那两个物理学家正式发表的论文: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0020089168900353
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雷电是怎样形成?
热度 7 yych66 2014-12-13 21:58
雷电是怎样形成? 雷电是哪里来的 地滚雷如何形成 晏成和 谈了雨、雪形成之后,也要讨论下雨时候的雷电。 下雨前或下雨时,常常伴随着剧烈的雷电,闪电、打雷是人们经常见到和听到的最震撼人心的自然现象,当然会引起人们的探究与思考,雷电是怎样产生的、雷电是哪里来的? 1752 年富兰克林在雷雨天用风筝探索天上的雷电,得知雷电与实验室电荷放电具有完全相同的效应,世界各国的研究者开始了探索雷电形成的历程。 自然雷电的发生经常是与下雨、与暴雨相伴,也就是与水蒸汽遇冷凝结成雨的过程密切相关,这是自然的提示,那么探究雷电就应该在水蒸汽相变成雨的过程中寻找线索、探讨雷电发生的下雨内在联系,揭示自然的真相。 自然界春夏秋冬不断轮回,云、雨、水、汽,总是周而复始的循环,循环是大自然的重要特征。雷电总是迅猛地劈向大地,然而,大地电荷并没有越来越多,于是联想:雷电是不是来自循环? 但是由于电子云理论先入为主,阻碍了人们对核外电子规律运动的探讨,相变成了未解之谜,对雷电的探讨也避开了相变这一关键的线索,绕开了客观实在,因而探索也难有实质的进展 , 至今尚不知道雷电形成的真实原因。 质疑 百年前,人们只知道摩擦能够产生高压电,于是教科书就有理论认为:雷电的形成是云层中的水蒸气相互摩擦所致,这种观点是值得商榷的。 因为:物质由液态相变成气体,体积扩大 1000 多倍,气体分子之间存在着巨大的斥力,常压下,气体分子之间距离是液、固体的 10 多倍,分子与分子完全挨不着,表面根本不会接触,也不会发生摩擦、更不可能生电。 其二,就算气体分子有摩擦,空气中的氮气、氧气比水蒸气多数百倍,为何只是水蒸气摩擦生电。 其三,冬天北风呼啸,那么冬天的空气摩擦最厉害,为什么冬天较少打雷,而春夏雷雨频发。 其四,摩擦前后云层的电荷总量平衡,就算生成电荷,也不会形成对大地的放电。由此看来水蒸气摩擦产生雷电之说是站不住脚的。 可见“雷电的形成是云层中的水蒸气相互摩擦所致”之理论的漏洞百出,难以自欺欺人。我在 12 年前就提出质疑、予以批驳。 最近我查了百度,发现拼弃了“水蒸气相互摩擦”这样的低级错误,网上容易与时俱进,就把水蒸气摩擦改成了温差起电效应、破碎起电效应,有了两个新名词。 在实验室可以制作温差起电,可是条件严格、电压极低,与雷电的高电压根本是风马牛不相及。所谓的起电效应,其实质还是摩擦,只不过把水蒸气改成了冰晶,这样好像就可以回避了疑问,其实还是一个愚蠢!谁见过冰碴子摩擦起电? 就算是摩擦起电,摩擦只是电子发生了转移,参与摩擦物质电荷总量不变,倘若电子发生了转移形成高电压,这电压差只可能在云层之间,电压自然就会在云层间就近释放,怎么会形成劈向地面的巨雷 ? 雷电是天空的云层与地面之间或云层之间释放电荷,要解释雷电,我们先要探寻天上的电荷是哪里来的?因为:气体分子之间存在着巨大的斥力,分子与分子完全挨不着,表面根本不会接触,也不会发生摩擦、更不可能生电,就算气体分子有摩擦,空气中的氮气、氧气比水蒸气多数百倍,为何只是水蒸气摩擦生电? 自然事实是:雷电的发生与下雨密切相关、与水蒸气相变成雨密切相关,那么,探索雷电就必须与此相变相关相联,起码你的科研应该朝相变想一下,你的文章应该提及。可笑的是:雷电科研竟然完全回避自然的提示、绕开相变。如此拙劣的“科普”,几十年的胡诌。 在质疑面前,流传百年的“科学理论”破绽百出、逻辑稀烂。 大自然的雷电还是要经常发生,孩子们肯定会发出天问:雷电是哪里来的,雷电是怎样产生的?我们的家长、老师、媒体再也不能拿这样的狗屁不通的理论去忽悠我们的孩子。 雷电是怎样形成 雷电是天空的云层与地面之间或云层之间释放巨大的电荷,要解释雷电,我们先要探寻天上的电荷是哪里来的? 大家都知道,我们的大地能容纳大量的电荷、是个大电容,在大地电容的内部也存在着同性电荷的相斥。于是大地内的电荷(电子)常常被斥挤到地表。斥挤到地表的电荷由地面的植物、水面传带到大气之中,形成大气中游离电荷,于是森林、原野总是充斥着大量的负电荷(负离子)。悬浮的游离电子是闪电的接力体,所以在树下、在原野的人容易遭到雷击。 空气中的游离电子易于受到水蒸气核心吸引,成了水蒸气核外电子的附加组成部分。这是因为在大气中,相对于氮气、氧气,水蒸气的分子较大;相对于二氧化碳,水蒸气的核外电子数少,又是围绕着三核心(两个氢和一个氧),因而水蒸气的 2 个价电子要围绕 3 个核心进行空间球面运转,路径长,对核心的覆盖难以饱满。导致每个水蒸气分子都有吸纳额外电子趋势。于是,大气中游离的电子总是被水蒸气吸引、吸纳,形成多对价电子围绕 3 核心的球面运转的水蒸气分子。这样,水蒸气就成了容纳大气中游离电子的载体,也可以认为水蒸气分子是大气中的微型电容。(平时,我们的电容器往往要密封,就是要防止电荷被水蒸气带走) 空气的湿度越大,所含的水蒸气的比例就越大,能容纳的电荷越多,所以潮湿天游离电子住进了水蒸气分子,空气中不易形成静电。干燥天,大气中的水蒸气少,多出的电荷没有了去处,容易在环境中游荡、在物体上聚集,容易形成高电压,易于发生静电现象。 了解水蒸气是大气中负电荷的载体,雷电的形成也就有了脉络。随着热空气的上升,水蒸气升上了天空,把蕴含的附加电荷也随身带到了高空。在高空遇到低温,水蒸气的价和电子速率降低,线路由空间球面运转进入到扭曲运转,分子相互吸引、相聚,水蒸气凝结,形成由气体到液体的相变。同时,水蒸气早期价电子运转时的加入成分——多出电子没有了容身之地。水蒸气聚合成云,多出的电子被排挤出来,形成了游离在云层中的电荷,多出的电荷时时试图挤回到H 2 O中抢位子,破坏了电荷平衡,形成了非常规电磁波——云层里的电压。 云层是大量水蒸气相变成水汽的集合,因而附近也就聚集了大量的电荷,能形成很高的电压。云层之间、云层与大地之间产生电位差巨大,冲开一条路,高电压电荷在大气中穿行使周边物质的电子发生振动,形成壮观的闪电现象;同时还引起空气剧烈地震动,形成了隆隆的雷声。 综上述不难看出,雷电是水蒸气相变成雨时的附产物,地表电荷由水蒸气轻柔地带上了天空,水蒸气相变时排挤出电荷,聚成雷电,猛烈地击回大地,如此周行不殆,实现了电荷在天地间的循环。 闪电和雷声告诉我们,空气中已经有大量的水蒸气凝结成了水汽,预示着有可能要下雨了。(干打雷的现象也时有发生,因为下雨与温度、湿度、气压、气流等诸多因素有关。) 冬天气温低,价和电子速率较低,空气中的水蒸气大部分都凝结成水或冰,所以冷空气较为干燥,所含的水蒸气少,所携带的电荷少,所以冬天较少打雷。 还有一个原因是,空气中的电荷在受到地球引力、地表同性电荷的斥力的同时,还受到太阳的引力,电荷带常常聚集在地球植物茂盛,靠近太阳的部位,由于地轴线与黄道的夹角 ,3-9 月在北半球、 9-3 月南半球聚集的电荷较多,所以春、夏时节是雷电多发季节。 要证实以上雷电形成之说,可以设计几个简单的实验,如果制作一个大型的类似装置,还可以模拟人造雷电。在此不赘述。 地滚雷 在雷电家族中,还有神秘恐怖的地滚雷。有目睹者的记述,在酷寒之夜,闪烁着电光的球体从天而降,在房顶、地面滚动,甚至还能挤进门窗。至于地滚雷是什么,怎样形成从却没有见到解释。 在水蒸气中,主要是氢元素的价电子少,形成了较大的核外空间,使游离的电子有空可钻。除了水蒸气外,氢气的价和电子数少,也能吸纳大气中游离的电子;自然界的甲烷( 5 核心、 8 电子)、乙(丙、丁)烷气体分子也符合体积较大、价和电子数少的特征,也能吸纳大气中游离的电子。(图一) 图一 (图中 棕色:碳核心,绿色:氢质子) A :水蒸气分子 B :甲烷 C :乙烷 D :丙烷 天空的高寒气流,使大气中少量的丙烷、丁烷气体骤冷发生凝结,吸纳在其间大量的多出电子没有了藏身之地,挤在正在凝结的气体周围,使丙烷、丁烷气体形成了一个电子包围的具有很高电压的气、液体团。部分烷气凝结,使其比重加大,从天空落下,在房顶、地面滚动,高电压使环绕的电子振动发光,形成了在阴暗的雷雨天闪着亮光的火球,这就是神秘恐怖的地滚雷。 因为地滚雷外围绕着大量高速运转的电子,而电子的运转伴生着电磁波,在强电磁场的包裹中,地滚雷在地面不会立即接地消失,而是在屋顶或地面继续滚动。遇到较高温度,液态烷蒸发成烷气,外围的电荷又返回到分子周围,带着多余电荷的烷气升空,地滚雷又消失得无影无踪。 所以是甲烷、乙烷、丙烷的相变(各种烷的相变温度不同)制造了神秘的地滚雷。 由于大气中水蒸气富含着多出的电子,使每个水蒸气分子的电荷不是平衡的,经常是带有负电荷,在地球磁场的作用下,水蒸气分子伴随大气按右手定则方向(自西向东)运动,于是就形成了地球温蒂的环流风。 这样,我们就以核外电子规律运转——速率及线路随温度规律变化的基本观点,简洁、系统地阐释了水蒸气如何相聚成雨,及伴随着下雨前的雷电的形成,乃至地滚雷的形成。而在电子云理论的笼罩之下,这些常见的自然现象是无法解释的,是自然之谜。 了解了雷电形成真实原理,可制成消雷装置,使我们的大厦和大型设施平安无忧,可减少或消除由雷电造成的冤魂,还可取“天火”制成新的能源。 2014-12-13 修改 相关问题请参阅我的博文: 1 、核外电子的速率 —— 温度 2 、电子运动时伴生着电磁波 3 、核外电子的运动与物质结构 4 、核外电子的运动与晶体 5 、核外电子 的运动与相变 6 、雨的形成 7 、雷电的形成 8 、静电 与电压 9 、导电原理 10 、半导体导电原理 11 、超导体导电原理 12 、超流形成原理 13 、经典物理的小结 14 、物质与波 15 、光电效应 16 、 光是怎样形成的?
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地震降压可导致金矿快速沉淀成矿
热度 2 Michaelhu 2014-4-4 11:09
地壳中水相变可导致热液中所携带的物质快速沉淀成矿(藏)。地壳中水发生相变的必要条件是降压。地震是地壳或岩石圈中降压方式之一。 澳大利亚两位学者在《自然——地球科学》上发表了“地震可使黄金地壳中立即沉淀形成”的研究成果。 相关报导链接: http://www.uq.edu.au/news/article/2013/03/australian-research-confirms-link-between-seismic-activity-and-gold-deposits http://www.ccdy.cn/cehua/2012ch/dizhen2/jujiao/201303/t20130320_599927.htm http://www.jixue.cn/jyzx/dl/dlxkdt/20133/19328.html 十几年来一直致力于岩石圈中的地压梯度变化及其地质效应研究。看到国外也有相关的研究,很是高兴。 原文: Weatherley D K and Henley R W . Flash vaporization during earthquakesevidenced by gold deposits . Nature Geoscience, 6, 294–298 (2013). doi:10.1038/ngeo1759
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地学中热力学相变的一些思考
Michaelhu 2013-12-16 11:21
相变线两端及其延伸段邻区的物性特点、过程,和相变线(含端点)上突变的具体细节及数理关系,是研究的难点、甚至是盲点。因在相图的区块内可用状态方程、渐变处理,但是在相变线(点)及其邻区则要用突变理论来处理。当研究对象为水、固相等,将产生许多新的认识。如水的临界奇异性及一、二级相变(相变线的上端点),熔浆冷凝(相变线的下端点)得出是玻璃质还是结晶质,变质变形过程等。相关研究成果会给地学乃至整个科学带来新的冲击。
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再读《边缘奇迹,相变与临界现象》
热度 3 zhongwei2284 2013-11-3 17:52
生活很美,美于变化,美于那些让人激动人心、让人沉醉的迸发;而物理很美,却美于简单,美于用简洁的表达包含了许多丰富的、复杂的、美丽的事物;一本书也可以很美,它的美则美在动人心弦,引人入胜。 又读于渌、郝柏林老师的《边缘奇迹~相变和临界现象》,又沉醉在“物含妙理总堪寻”的境界里,激动人心的“故事”在纸上跳跃,而为之带来的是抓破脑袋的思考也是一种快乐。在包罗万象的世界里,相变一词是那么蕴含深理,又让人困惑不已。对于临界现象的描述,百般波折,让人又惊又奇,时而喜时而悲~ 我原来想写写最近学习之后自己对于临界现象的认识,思考了许久发现想法还不是很成熟,还有些地方需要更多的思考。最近也是在一直努力试图想要更加深入地了解一些,估计得花好长的时间了!“物含妙理需寻乐”,学物理本身就该是一种苦中作乐,至少对于我这个不怎么通晓它的小学生来说是这样的!缺乏的知识愈多想学的知识愈多就愈有这种感觉~总觉得道路是艰辛曲折的,前途嘛~“明天”才知道!我想于渌、郝柏林老师的上述的书拿来高级科普有其深意,我们就是“科普”的太少了,兴趣太少了!只看到了死的知识没看到活的内涵! 最后,仅代表自己向两位为中国科学奉献一生的长辈致敬!向那些在相变和临界现象道路上付出努力和汗水的前人致敬!是他们指引着一个更加有希望的未来!!
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《硅火燎原》-23-物质的千姿百‘相’
热度 10 tianrong1945 2013-9-25 08:37
23.物质的千姿百‘相’ 在前面的章节中,我们从能带理论的角度来区分导体、绝缘体、和半导体。但是,细心的读者可以看出,绝缘体和半导体其实并没有本质上的差别,它们都是对应于费米能级位于能隙中的情形。至于能隙的大小,只是‘量’的不同,并无‘质’的差异。 此外,人们说到‘导体’,或‘绝缘体’时,一般指的是不同的物质材料。但是,研究表明,即使是同一种材料,也有可能在某种条件下是导体,另一种条件下是绝缘体。条件变化时,导体状态和绝缘状态便会互相转变。比如我们前面叙述过的,半导体(绝缘体)受到光照或加热时而导电的现象,还有凝聚态物理中的 Anderson转变、Mott转变等等,都是这种情形。 导体与绝缘体的互相转变,使我们联想起我们所熟悉的物质的‘气、液、固’三态之间的转变。事实上也的确如此,世界上有各种各样的物质,每种物质又有它各自形形色色的千姿百态,或者,用更物理的语言,叫做不同的‘相’。相和相变,这正是本节中要介绍的内容。 初中的物理书上就告诉我们:物质有三态:气态、液态、固态。后来的说法再扩大了一些,加上了等离子态、波色 -爱因斯坦凝聚态、液晶态等等。除了‘态’这个字之外,现代物理学中用得更多的是物质的‘相’。物质不同‘相’的种类比一般所说的‘态’的种类要多得多。也就是说,对应于同一个态,还可以有许多不同的相。比如,水的固态是冰,但冰有很多种不同的结晶方式,它们对应于不同的相。还有一个大家熟知的一物多相的例子是碳的同素异形体。了解了碳的同素异形体的结构后,大家知道了:女士们青睐的、昂贵的、坚硬而象征永久的钻石,居然和及其廉价而普通的铅笔中的石墨,归于同一种物质!不论贵贱,它们都是由同样的碳原子组成的,只不过晶体结构不同而已,因此不同,却形成了特性迥异的物质相。 图 23.1:左)雪花的不同结晶态;右)碳的同素异形体 相比于‘物质态’而言,物质相也有了物理学中更为明确的定义。我们在以后的文字中,用到‘态’这个字的时候,将它理解为‘相’的同义词。不过,历史地看,‘相’及‘相变’的定义也是随着人们认识的逐渐深化而不断变化的。 人们最开始对‘固、液、气’三相的认识,是简单地基于它们表现形态的不同:固体有一定的体积和形状;液体有一定体积而形状不定;气体则体积形状均不固定。而当物质的这三态互相转变时,也相应地伴随着体积的变化和热量的释放(或吸收)。物理学家们将这一类转换叫做‘一级相变’。这个‘一级’,在这儿有一个数学上的意义:在相变发生点,热力学中的参量(比如化学势)不变化,而它的一阶导数(体积等)则有变化。 为了解释实验中不断出现的各种‘相变’,这个一级相变的概念也被延伸下去。如此便有了‘二级’、‘三级’……等等用热力学量的 N阶导数来区分的不同级别的相变。不过,级别高的相变并不多,暂且还没有必要分得那么细致,物理学家们把除了一级相变之外的更高级相变,统称为‘连续相变’。 描述相变的一个方便工具是相图。比如说,描述水的三相变化的简单相图如图 23.2所示。 图 23.2实际上就是水的压力-温度曲线图,图中标示出了水的冰点、沸点等。一般物质三态变化的典型相图也是基本类似。有趣的是图右上方所示的临界点。在临界点以上的水,叫做超临界水。超临界状态是一种气液不分的状态,有许多神奇的‘特异功能’。研究表明,许多别的物质也和水一样,在临界点的附近,会呈现许多特殊有趣的性质 【 1】 。 图 23.2:水的三相变化的相图和冰的晶体结构 朗道对连续相变提供了一个统一的描述 【 2】 ,他认为连续相变的特征是物质的有序程度的改变,或者更进一步,可以看成是物质结构的对称性的改变。如果用物理术语来描述的话,比如说,朗道把从高对称到低对称的相变叫做“对称破缺”。相应的,反过来的相变则意味着“对称恢复” 对称性的概念不难理解,我们前面叙述过晶体的结构,晶格结构是一种空间状态的重复。如果将整个晶体移动一个晶格常数 a,结果仍然是原来的系统。换言之,晶格结构具有在空间平移a的变换下系统保持不变的对称性。所以,对称的意思就是系统在某种变换下保持状态不变。除了空间平移变换之外,还有空间旋转、空间反演等等其它种类的变换。除了在三维空间的各种变换之外,还有对于时间的平移或反演变换,以及其它性质的变换。各种变换对应于各种不同的对称性。 那么,在相变时,对称性如何破缺呢?以下举几个简单的例子来说明。 首先,让我们比较一下液态和固态的对称性,到底孰高孰低?想象一下在液态中的情形:其中的水分子作着随机而无规的布朗运动,没有固定的方向,没有固定的位置,液态的分子处于完全无序的状态,处处均匀,在任何方向,任何点看起来都是一样的!而这正是我们所谓的对称性,也就是说,液态的对称性很高。 在固态中的情形不一样了。水分子们不再像在液体中看起来那样单调乏味,它们有次序地排列起来,形成整齐漂亮的格子或图案。比如图 23.2b所示的是一种冰晶的结构。当你从晶格中望过去,不同方向会有不同的风景。也就是说,固态的有序程度增加了,而对称性却降低了。 用数学的语言来描述的话,液态时,如果将空间坐标作任何平移变换,系统的性质都不会改变,表明对空间的高度对称。而当水结成冰之后,系统只在沿着某些空间方向,平移晶格常数 a的整数倍的时候,才能保持不变。所以,物质从液态到固态,对称性减少了,破缺了。从连续的平移对称性减少成了离散的平移对称性。或叫做:固态破缺了液态的连续平移对称性,即晶体是液体的任意平移对称性破缺的产物。相比于液体,晶体的粒子密度出现了空间上的周期调制,从无到有的周期调制的变化,便可以表征物质从液体结晶为固体时的相变。 另一个例子,是顺磁体到铁磁体的转变。在居里温度以上,磁体的磁性随着磁场的有无而有无,即表现为顺磁性。外磁场消失后,顺磁体恢复到各向同性,是没有磁性的,因而具有旋转对称性。当温度从居里点降低,磁体成为铁磁体而有可能恢复磁性。如果这时仍然没有外界磁场,铁磁体会随机地选择某一个特定的方向为最后磁化的方向。因此,物体在该方向表现出磁性,使得旋转对称性不再保持。换言之,顺磁体转变为铁磁体的相变,表现为旋转对称性的自发破缺。 根据物质的对称性及其破缺的方式来研究相和相变的方法被称为“朗道范式”。也可以说由此方式才催生了凝聚态物理 【 3】 。因为物理学家们越来越认识到,分别单独地研究固体或研究液体,都远远满足不了实际情况的需要。特别是又掺和进了低温物理之后,固体物理的研究转向了对大量粒子构成的各种体系的研究。这些系统中的粒子具有很强的相互作用,在各种物理条件下,不仅仅表现为固态、液态,还有液晶态、等离子态、超流态、超导态、波色子凝聚态、费米子凝聚态……,对这些千姿百态以及它们互相转换的研究,便构成了凝聚态物理。 伟大的实验物理学家法拉第,在 19世纪液化了当时知道的大部分气体。1908年,荷兰物理学家昂内斯将最后一种氦气液化(-269°C),开辟了低温物理的新天地。 在液氦超流性的理论研究中,朗道天才地提出了元激发的假设,并第一个引入声子的概念来说明元激发,以解释超流体的临界速度问题。此外,朗道对低温超导理论也有重要贡献,他和金茨堡一起,以朗道的连续相变对称破缺理论为基础,导出了著名的金茨堡 -朗道方程,成功地计算出了超导体的许多特性 【 4】 。朗道因车祸1962年在病房中被授予诺贝尔物理奖,金茨堡却是在51年后,才被授予了2003年的诺贝尔物理奖。当年得奖时的金茨堡已是87岁高龄,幸亏金茨堡活得够长,得奖后又活了6年,直到93岁才去世。金茨堡差点就成为了历史上最老的诺贝尔奖得主。(注:最老的和最小的诺贝尔奖得主都是得的物理奖,老的是2002年88岁的小雷蒙德·戴维斯,因对天体物理的贡献获奖;最年轻的则是我们在本系列文第7节中提到过的劳伦斯·布拉格,25岁时因晶体研究与其父亲同上讲台领奖。) 对称破缺理论一直被用来解释相和相变,直到…… 参考资料: 【 1】于禄,郝柏林。《相变和临界现象》,科学出版社,1992 【 2】Landau L D Zh. Eksp. Teor. Fiz. 7 19 (1937);Landau L Phys. Z. Sowjetunion 11 26 (1937) 【 3】Collected Papers of L D Landau, Ed. D terHaar, NY, 1965 (Reprint of Landau ’ s papers) 【 4】Ginzburg V L, Landau L D Zh. Eksp. Teor.Fiz. 20 1064 (1950) 上一篇: 朗道的故事(2) 系列科普目录 下一篇:霍尔效应大家族
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《硅火燎原》-22-朗道的故事(2)
热度 3 tianrong1945 2013-9-18 08:53
22.个性奇特的朗道(2) d) 建势垒精挑细选,扔论文 武断 自负。 波尔访问苏联的时候,由栗弗席兹担任翻译。其中有一句波尔的原话是:“我敢于当着年轻人的面承认自己愚蠢”,栗弗席兹立即不假思索地翻译成:“我敢于当着年轻人的面承认他们愚蠢”,当场引起哄堂大笑。在这儿,‘自己愚蠢’被栗弗席兹错译成了‘他们愚蠢’。栗弗席兹赶忙道歉,在场的卡皮查笑说了一句精辟之语:“这一字之差,正是两所学校之差!”,意即栗弗席兹的错译刚好反映了波尔和朗道对学生迥然不同的态度。 朗道在讲台的黑板旁边挂了一幅油画,画的是牧羊人对着吃草的羊群吹笛。据朗道自己解释:他是牧人,学生是羊。言外之意则是说,他讲课就是“对羊吹笛”。用中文成语来诠释,就是:“对牛弹琴”。 对研究生的要求更为苛刻,必须通过一系列严格的考试,包括 2门数学和8门物理,学生们称之为‘朗道势垒’。即使通过了所有考试,也未必见得就能当上朗道的弟子。比如有一个通过了‘势垒’的中国学生,就被朗道判定为‘无创造力,适合教书’而关在门外。 不久前,笔者在美国见到郝柏林先生,又听他亲口讲述了一遍当初参加‘朗道势垒’考试的经过:势垒尚未完全攻破,朗道就出了严重的车祸。后来郝柏林虽然通过了所有的考试,但朗道却无法指导学生了。因而,他没有被列入朗道那个小本子上 43位学生的名单中。对此事,郝先生至今仍然深感遗憾。不过他说,那攻克势垒的过程中学到的理论物理知识,掌握的数学技巧,使自己终生受益 【 1】 。 事实也的确如此,经过朗道精挑细选出来的学生,大多都成为物理界的佼佼者。这种严格筛选学生的方法,更是影响了苏联理论物理界一代学风。其中诺贝尔物理奖得主不乏其人。 严厉的考核也许还能造就人才,而武断专制的学阀作风就不可取了。朗道的天才和成就蒙蔽了他的眼睛。他曾经枪毙掉一篇及其重要的论文。那是在 1956年,苏联物理学家沙皮罗(I.S.Shapiro)在对介子衰变的研究中,发现了弱相互作用的宇称不守恒 【 2】 。他将论文交给朗道审阅,但朗道只相信自己的直觉,认为沙皮罗的想法是错误的,看也不看便将它扔在一边。当时苏联的物理学界,没有被朗道审查过关的论文是难以发表的。直到几个月之后,李政道和扬振宁提出了弱相互作用下宇称不守恒的理论,并在第二年即获得诺贝尔物理学奖,朗道才如梦初醒,意识到自己丢掉的是一篇诺奖级别的文章。 不仅仅是对学生,朗道对同行们,甚至有名望的物理学家,有时也会口出不逊。一个小例子足以说明朗道年轻时的狂妄自大: 1931年,波尔致信朗道问其对狄拉克的“电子正电子-狄拉克海”著名假说的看法,不久收到23岁的朗道发来的一封电报,回答只有一个德文字:“ Quatsch! ”,意思是“垃圾”。 e) 传美名朗道十诫,凝聚态 大显身手 。 无论如何,朗道在物理学上的贡献是巨大而多方面的。 1958 年,苏联原子能研究所为了庆贺朗道的 50 寿辰,曾经送给他两块大理石板,板上刻了朗道平生工作中的 10 项最重要的科学成果,借用摩西十诫之名,把他在物理学上的贡献总结为“朗道十诫”( Ten Commandments ofLandau )。 这 10 项成果是: 量子力学中的密度矩阵和统计物理学( 1927 年); 自由电子抗磁性的理论( 1930 年); 二级相变的研 究( 1936-1937 年 ) ; 铁磁性的磁畴理论和反铁磁性的理论解释( 1935 年); 超导体的混合态理论( 1934 年); 原子核的几率理论( 1937 年); 氦Ⅱ超流性的量子理论( 1940-1941 年); 基本粒子的电荷约束理论( 1954 年); 费米液体的量子理论( 1956 年); 弱相互作用的 CP 不变性( 1957 年)。 朗道‘ 十诫’中六项都和 凝聚态物理有关,这也是为什么朗道被人誉为凝聚态物理奠基人之一的原因。 其中,朗道对相变的研究及物相的分类,与本系列文章叙述的内容有关系,因此在下节中将对此作一简单介绍。 e) 出车祸震惊学界,摘桂冠声名长留。 1962年1月7日早晨,莫斯科郊区一片冰天雪地。朗道乘车去杜布纳,驾车人是朗道的朋友,另一位理论物理学家。半途中,汽车在公路上突然打滑,撞向迎面而来的一辆载重货车,别人都安然无恙,或微受小伤,连车内的鸡蛋都没有被震破。唯有朗道却多处受伤:断了11根骨头,最致命的是头骨骨折,以至于当朗道被送到医院时,已经濒临死亡。 这场车祸震动了整个物理学界,苏联最好的医生竭尽全力拯救朗道的生命,物理学家们聚集到朗道医院的长廊上为他祈祷,玻尔也亲自安排了一流的医生前往莫斯科会诊。在多方努力下,朗道于车祸发生的两个月之后从昏迷中醒来,三个月之后说出第一个单词:“谢谢”,五个月之后想起他有一个儿子…… 然而,朗道最终也没有能恢复到作为物理学家的那个朗道。作为一个普通人,他的健康逐日好转,但他的短期记忆被严重损害,过去那个思维敏捷、言辞犀利、刻薄严谨、说一不二的学者不复存在,甚至再也无法与人讨论任何科学问题了。 突如其来的车祸带给朗道的严重后果也震惊了诺贝尔奖委员会,使他们产生一种紧逼感,立即决定将这年的诺贝尔物理学奖授予朗道,表彰他在 20年前对液态氦超流体理论作出的贡献。那是朗道在当年那场牢狱之灾前后,在卡皮查发现的液态氦超流体实验的基础上所建立的理论。朗道得了诺贝尔奖的16年之后,卡皮查在84岁高龄时,也为此被授予了1978年的诺贝尔物理奖。 因为朗道健康的原因, 1962年年底,破例由瑞典驻苏联大使,在莫斯科的医院里将诺贝尔物理奖颁发给了朗道。 六年后, 1968年3月24日,朗道旧伤复发,经抢救无效而终于告别人世。苏联一代理论物理大师对自己的一生颇为满意,临终时说:“我这辈子没白活,做的每件事情都是成功的!” 参考资料: 【 1】郝柏林:朗道百年 http://power.itp.ac.cn/~hao/ld100_phys.pdf 【 2】Lev D. Landau: His Life And Work. F. Janouch(CERN). Mar 1979 - 21 pages. CERN-79-03, CERN-YELLOW-79-03. 上一篇: 朗道的故事(1) 系列科普目录 下一篇:物质的千姿百‘相’
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物理与文学
热度 2 jphuang 2013-5-13 16:29
物理与文学 看到这个标题,有人会说:“你瞎扯了!” 其实不然。物理与文学看起来风马牛不相及,然而,它们之间的关联却正如赵本山先生在小品《不差钱》中所说,“这个可以有”。例如: 有人用物理学中的方法来研究《红楼梦》、以及莎士比亚的著作。基于汉字或英文单词出现频率的研究,有人发现这些文学作品中蕴含标度现象 ( 其数学上通常用幂律表示 ) ,这个现象是物理学相变理论中的一个核心概念,所以,物理学家们非常关心各种系统中出现的标度现象,——因为这里可能蕴藏着新的相变现象。事实上,基于这些标度的分析,为人们厘清哪些著作是莎士比亚的真品、哪些不是,提供了不少有力的佐证;例如,历史剧《 Edward III 》是不是莎士比亚的著作,学术界尚有争议,为此,有物理学家研究了单词数目的标度,结果发现历史剧《 Edward III 》的幂律指数是 0.700, 而莎士比亚其它的一些历史剧的幂律指数介于 0.640 至 0.666 之间,所以,其结论是《 Edward III 》并非莎士比亚所著 。从这里似乎可以看出,物理学的方法对文学研究还是有所裨益的。 另一方面,文学作品中其实也蕴含很多物理。大约五百年前,吴承恩在写《西游记》时,那时天上飞的动物,除了鸟儿、除了昆虫,几乎什么活物也没有,但是,他在《西游记》中塑造的孙悟空这个人物,一个筋斗十万八千里,这不正是今天的飞机、火箭和神舟飞船在几百年前的预言吗?而飞机、火箭和神舟飞船,正是在科学家们正确运用物理学原理后得到的产品。至于《西游记》中的神仙千里眼,不正是今天的全球定位系统( GPS )吗?另一位神仙顺风耳,不正是今天的手机等远距离通话系统吗?此外,孙悟空的 72 变,不正是当今物理学家们正在研究的光学隐身衣吗? 呜呼,从某种角度看,文学作品的想象力与物理学作品的想象力并不矛盾,前者可以为后者的发展提供方向!而后者则可以在前者的指引下,在满足人类好奇心的同时,为改善人类物质文化生活提供可能。 想象力,使得物理与文学走到了一起!希望我们每个人都具有丰富的想像力。 参考文献: C. K. Hu and W. C. Kuo, Universality and scaling in the statistical data of literary works, in POLA Forever: Festschrift in Honor of Professor William S-Y. Wang on His 70 th Birthday , edited by Dah-an Ho and Ovid J. L. Tzeng, Institute of linguistics, Academia Sinica, Taiwan (2005). Pages: 115-139.
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[转载]1982年诺贝尔物理学奖——相变理论
热度 1 xiehuasheng 2012-7-21 13:11
昨天翻郭奕玲沈慧君编著的《诺贝尔物理学奖1901-2010》,看到1982炸药奖K.G.Wilson工作的介绍,才知道重整化处理相变这么强大,似乎确实有望解决多尺度如湍流问题。转载一篇介绍文字。 ============================================================= 1982年诺贝尔物理学奖——相变理论 1982年诺贝尔物理学奖授予美国纽约州伊萨卡康奈尔大学的K.威耳逊(KennethG.Wilson,1936—),以表彰他对与相变有关的临界现象所作的理论贡献。 在日常生活中,也可从经典物理学中,我们知道,物质可以存在于不同的相中。我们还知道,如果改变压强或温度之类的参数,就会发生从某一相到另一相的转变。只要足够地加热,液体就会变成气体,也就是从液相转变为气相。金属达到一定的温度会熔化,永久磁体达到一定温度会失去磁性。这些只是几个关于相变的大家熟悉的简单例子。 物理学中相变的研究经历了很长的时间。人们对很多系统进行过研究。相变的特点往往是某些物理特性的数值发生突变,也有一些情况是变化比较平稳。例如,在临界点上液态和气态之间的相变,铁、镍、钴之类的金属从铁磁性转变为顺磁性,其变化过程就比较平稳。这些平稳的相变在临界点附近往往会出现一些典型的反常性。当接近临界温度时,有些量会超过极限值。这些反常性通常称为临界现象。当接近临界点时,往往会发生非常大的涨落。 19世纪末、20世纪初就开始对某些特殊系统的临界行为,例如液气之间的相变和铁磁性与顺磁性之间的转变作过定性描述。苏联物理学家朗道在1937年就发表了关于相变的普遍理论,他把早期理论所得结果作为特例纳入他的理论中。二极模型的热力学特性是经常讨论的课题,1968年获诺贝尔化学奖的昂塞格尔(L.Onsager)对此得出了精确解。这为临界现象的进一步认识奠定了基础。朗道理论和以前所有的理论在预言临界点附近的行为时几乎都得到完全一致的结论。然而,当人们对许多系统作了广泛而详细的研究之后,惊奇地发现临界行为和朗道理论的预言相差甚远。用各种不同的理论模型进行数值计算,也显示对朗道理论有很大偏离。美国康奈尔大学的费塞尔(M.E.Fisher)对实验数据的分析,起了指导作用。康奈尔大学另一位物理学家维丹(Widom)和苏联物理学家巴达辛斯基(A.Z.Patashinskii)、波克罗夫斯基(V.L.Pokrovski)以及芝加哥大学的卡达诺夫(L.P.Kadanoff),都在理论上作了重要贡献。卡达诺夫提出了非常重要的新思想,对以后的发展有很大的影响。然而他的理论无法对临界行为进行计算。 1971年K.威耳逊发表了两篇有重大影响的论文,明确而深入地解决了这个问题,随后的几年他又发表了一系列论文。K.威耳逊认识到,临界现象与物理学绝大多数其它现象不同的地方在于人们必须在相当宽广的不同长度尺度上与系统中的涨落打交道。在通常的情况下,人们对某一给定的现象只和某一给定的尺度打交道,比如无线电波、水波、可见光、原子核、基本粒子等等,这里每一个系统都以某一特定的尺度为特征,我们无需涉及范围宽广的尺度。除了大尺度的涨落可大到与整个系统的尺度同数量级之外,还有幅值更小的涨落,一直小到原子尺度。我们也许会有幅值为厘米量级的涨落,同时也会有幅值更小的涨落,一直小到厘米的百万分之一。所有这些涨落在临界点附近都是重要的。在进行理论描述时,要考虑到整个涨落谱。用直接方法作正面处理,即使有最快的计算机帮忙也无济于事。 K.威耳逊成功地找到了一种方法解决了这个问题,不是正面处理,而是把问题分解成一系列简单得多的问题,其中每一部分都是可以解决的。 K.威耳逊的理论是在理论物理学中所谓的 重正化群理论的基础上作了实质性的修改后建立的 。重正化群理论在50年代就得到发展,并且已经成功地运用到各种不同的问题上。 K.威耳逊关于临界现象的理论对临界点附近的行为作出了全面的理论描述。他还提出在数值上计算这些临界量的方法。他的分析证明,当足够趋近临界点时,系统的大多数变量都将成为多余的。临界现象基本上决定于两个数:系统的尺度和所谓的量级参数。量级参数在朗道的理论中就已引用。这是从极大的普遍性引出的物理结论。它表明,许多相互无关的不同系统,在临界点附近会显示相同的行为。我们可以举出如下的实例:液体、液态混合物、铁磁体和二元合金,都显示同样的临界特性。60年代以来的实验和理论工作都证明有这种形式的普遍性,但K.威耳逊的理论从基本原理上给出了一个有说服力的证明。计算所得的临界参数和实验结果相符得很好。 K.威耳逊是第一位物理学家为同时显现宽广的不同长度尺度的现象发展了普遍且可操作的方法。这个方法经过一些修改,也可以用在一些其它的重要而尚未解决的问题上。液体和气体中的湍流就是一个典型的例子。 在这一现象中出现了许多不同的长度尺度。在大气中可以找到从最小的尘埃旋涡到地球表面的飓风这样一些尺度的湍流。K.威耳逊的新思想在粒子物理学中也有应用。他把他的理论作些修改,成功地运用到粒子物理学的前沿问题,特别是夸克囚禁问题。K.威耳逊的理论方法代表了一种新的理论形式, 它可对相变的临界现象这一经典问题给出了完全的解答,不仅如此,看来它还有很大潜力可以用于解决其它一些重要、而直到今日还未解决的问题。 K.威耳逊1936年6月8日出生于美国马萨诸塞州的沃尔瑟姆(Waltham)。他的父亲是哈佛大学的化学教授。在上高中之前,就在父亲的帮助下学习物理和数学。他当时学的数学是微积分,而物理是采用微积分的。他从这时起就决心当一名物理学家。在上大学前,K.威耳逊就跟父亲学习符号逻辑。 他父亲还试图教他群论,但不太成功。 1952年,这时K.威耳逊才16岁,就进入哈佛大学主修数学,但同时也学了许多物理,几个暑假都参加课题组研究。他的研究生阶段在加州理工学院渡过,其中有两年是在核物理实验室里工作,并 跟随盖尔曼做博士论文 。 在加州理工学院K.威耳逊和物理系一位名叫马休斯(J.Mathews)的助教很谈得来,马休斯教他使用学院的计算机。 有一个暑假他参加通用原子能公司,从事等离子体工作。 第二年回到哈佛,当一名临时工作人员,然后再回到加州理工学院完成博士论文。当时哈佛的理论活动较少,于是K.威耳逊就去了MIT,以便利用那里的计算机做理论工作,在那里和MIT的理论组成员联系很多。 1962年K.威耳逊来到欧洲核子研究中心(CERN),参加肯德尔和布约肯的小组, 研究场论和粒子物理学,他的兴趣在于用重正化群方法来处理强相互作用的模型。 1963年9月K.威耳逊到康奈尔大学当助理教授,1965年受聘为副教授,1971年升教授,以后他就一直在康奈尔大学,除了几次休假和访问。有一次是去SLAC,有一次是去普林斯顿高等研究中心,又有一次是去加州理工学院当访问学者,还到IBM苏黎世实验室工作过一年。 1971年,他把重正化群的方法用于统计物理学中的临界现象的研究,建立起二级相变理论。 在这个理论中,准确地计算了低温下热容对温度的线性关系式中的系数。 K.威耳逊 最早从事的并不是统计力学,而是量子场论 。早在40年代末,贝特、施温格、朝永振一郎、费因曼、戴森(Dyson)等人发展了重正化理论。1953年彼德曼(Petermann)等人发表过论文,第一次讨论了重正化群。K.威耳逊的工作就建立在这些基础之上。 K.威耳逊是怎样从量子场论走向统计力学的呢? 1954年盖尔曼和劳(F.Low)发表了题为“小距离的量子电动力学”一文,比卡达诺夫对K.威耳逊更早地起了激励作用。 1956年K.威耳逊进入加州理工学院研究生院,当时大多数优秀的学生都不愿意从事基本粒子的理论研究,但K.威耳逊与众不同,反而积极参加。 他主动地到通用原子能公司工作了一个多月,为罗森布鲁斯(M.Rosenbluth)做等离子体物理研究。 他向盖尔曼要题目来做。盖尔曼首先建议他在弱相互作用领域内研究相互作用较强的K介子。几个月后,K.威耳逊又请求盖尔曼给一个直接与强相互作用有关的题目,因为他觉得这类作用很值得做。盖尔曼建议他用劳氏方程研究K介子-核子散射,只要取一个介子的近似。K.威耳逊对求解劳氏方程的方法不是很满意,于是就反复探讨用不同的方法求解更简单的π介子-核子散射的情况。尽管一个介子的近似只是对低能有效,K.威耳逊还研究了高能限,并进而研究了重正化群的问题。 1960年K.威耳逊向加州理工学院交出博士论文。这时劳氏方程已被S矩阵理论所取代,K.威耳逊发明了(应该说是重新发明)“弦近似”方法,又研究了多生成理论,甚至倒过来做固定源介子理论的强耦合近似。 到了1963年,K.威耳逊已经清楚地看到,他应该做的课题就是把量子场论用于强相互作用。他撇开了S矩阵理论,因为S矩阵理论的方程即使能够写出来,仍然过于复杂,不像是一个理论,而固定源介子理论可以作弱耦合近似,又有强耦合近似,因此他相信量子场论是可以搞清楚的。 在做固定源介子理论时,K.威耳逊运用微扰论取得了一些成果。他第一次发现重正化群方法的自然基础。 在这以后,K.威耳逊努力思考的问题是“什么是场论”?他认识到必须考虑自由度的作用。他还发现如果能够把正确公式化了的场理论用计算机求解,只要有足够计算能力的计算机,就可以得到任意的精确度。在60年代里他手头没有这种计算机,因此只能做一些简单的特例。 1966年K.威耳逊在康奈尔大学出席一次讲演会,听到了维丹所作的标度不变状态方程的报告。他认为维丹的方程缺乏理论基础,当时他还不了解使维丹的工作成为重要发展的有关临界现象的背景。但是他受到维丹报告的启发,认识到应当把重正化群的思想运用到临界现象。1966年夏,他就在阿斯品(Aspen)的会议上与一些固体物理学家讨论,人们建议他看看苏联学者卡达诺夫的预印本。就这样,K.威耳逊第一次接触到了卡达诺夫的工作。 卡达诺夫的思想是这样的:在临界点附近,应该想到一大群磁矩。例如:每群中有2×2×2个原子,组合成一个单独的有效磁矩。而这些有效磁矩对其最近的邻居有简单的相互作用,就像简单的模型一样。其唯一变化是系统的有效温度和外磁场与原来的系统不一样。更一般地说,有效力矩是作用在间距比原来原子间距大L倍的晶格上。卡达诺夫的想法是:会有L相关的温度变量T L 和场变量 h L ,而T 2L 和h 2L 会是T L 和h L 的解析函数。而在临界点上,T L 和h L 具有与L无关的固定值。根据这一假设,卡达诺夫推导出了维丹等人的标度无关定律。 于是K.威耳逊把各种场论的思想运用到晶格和临界现象上。他知道欧几里得的量子场论和用于统计力学模型的“变换矩阵”方法,并且发现这两个不同领域的方法极为类似。他了解场论要是相对论性的,则相应的统计力学理论必须具有很大的相关长度,即接近于临界点。于是他想到把卡达诺夫、维丹等人的标度无关理论用于量子场论的含义。再考虑到瑟林(Thirring)模型解答的标度不变性和马克(Mack)等人对量子场论标度不变性的讨论,K.威耳逊认识到标度不变量至少可以用于小距离上。但场算符应与临界现象中非同寻常的指数一样具有非同寻常的标度量纲。K.威耳逊在这些标度无关性的思想上重新构筑了短距离膨胀理论,很快发表了结果。尽管这一结果与基本的实验思想似乎不大相符,但还是引起了人们的注意。他的理论方法很快被理论家用于分析各种临界现象。从研究临界现象发展起来的一系列新的概念与理论方法,现在不仅对连续相变的理论,而且也对凝聚态物理与统计物理的许多分支,以及量子场论和粒子物理学都有深刻的影响。因此1982年诺贝尔物理学奖授给了K.威耳逊。 K.威耳逊1975年遇到布朗小姐,1982年两人结婚。布朗小姐在康奈尔计算机公司工作,他们两人合作,在计算机软件方面做了很多工作,在这以后,K.威耳逊以很大精力投身于大规模运用计算机作科学计算的研究之中。 ============================================================= 以上,转载自百度文库( http://wenku.baidu.com/view/9aac21126c175f0e7cd13721.html )。 早期(1980s),章扬忠在Austin做论文时,就是把重整化用到plasma,后来的工作也一直与此有关,如,2011年的一份讲义,《Tokamak湍流理论》,SWIP( http://ifts.zju.edu.cn/forum/viewtopic.php?f=10t=579 )。P.H.Diamond的湍流理论中就有不少重整化的影子。最近,F. Zonca的工作也在考虑用重整化来处理EPM的非线性。尽管,重整化引入plasma也三十年左右了,尚未完全解决问题,但看来希望也还是蛮大的。 Wilson竟然也做过等离子体(尽管只几个月),在Rosenbluth手下干过活。再看其其他经历,也十分丰富。游学、访学,挺不错的一种方式嘛,有助于打开思路。 另,此Wilson就是量子场论(教材)中大名鼎鼎的那个Wilson。 终于为自己找到该认真研究量子场论及重整化的理由了。 xiehuasheng 2012-07-21 13:01 原文:http://hi.baidu.com/hsxie/blog/item/1ccfebf5c8422b03730eec45.html
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[转载]朗道百年 (作者:郝柏林)
热度 1 Michaelhu 2012-6-30 10:49
1)一篇值得反复阅读的文章 朗道百年-郝柏林.pdf 2)与之相关的,还有一本很薄的书也值得多看几遍。陆继宗,黄保法著,《诺贝尔百年鉴——绝对零度的奇迹,超导超流与相变》,上海科技教育出版社,2001
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油气生、排、运的思考
Michaelhu 2012-2-22 11:37
油气在水的超临界态和高压液相中的溶解度差异(前提是油气是在超临界水中形成),超临界态水表面张力近于零,地壳中水相变条件及水相变时释出油气,可能是探索油气生、排、运的3个关键问题。 (近读马中良科学网博文"石勘院启动烃源岩生排烃机理研究"的思考)
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统计物理学中最有趣的问题----Ising 模型【长篇连载:2】
热度 1 shanbowei 2011-12-27 04:18
咱们上回说到, Ising 先生求解出了一维模型的精确解。接下来,自然而然的就该到考虑二维的问题了。 二维Ising模型究竟有没有相变? 这个问题,既是困难重重,又是充满诱惑,真是吸引的无数英雄竟折腰啊!!!(顺便怀念一下伟大的毛主席诞辰118周年) Ising 先生和20世界早期那些物理学英雄们曾经试图求解出二维Ising模型的精确解,但终因难度太大,而以失败告终了。随后,Ising先生列举出了下面的一些似是而非事实,试图想要说明二维Ising模型没有相变: 1.配分函数 Z 是针对所有配置的 的和; 2.随着温度 T 的变化,上述的指数函数是处处解析的 3.因此,解析函数的求和也是解析的 但是仔细推敲上述的理由却会发现不少漏洞:所有的热力学函数,都是配分函数Z的对数函数,而对数函数并非处处解析的。另外,上述事实仅能针对尺寸有限的系统,如果一个系统是处在热力学极限下(即尺寸是无限项的系统),那么无限项的和,是有可能导致奇异点出现的。 因此,自 从Ising先生给出一维模型的精确解,事隔十年之后, 英国人Peierls明确的指出了二维Ising模型中是会发生相变的。 Peierls并没有严格求解出二维Ising模型(以当时的理论发展水平来看,也不必对Peierls先生苛求),但是他 从统计物理学的观点来进行考虑,严格的证明了相变的存在。高!实在是高啊! 事实上,从统计物理学出发,严格证明相变存在与否,已经发展成为了统计模型理论的一个专门分支,我们对于这一分支不想展开讨论,仅仅在此对Peierls的工作进行一个简单的介绍。 Peierls对比了高温和低温的极限情况,当 时,所有的配置都具有相同的概率。每一个自旋都是和其他自旋相独立的。整个系统磁化强度 M 是自旋的平均值: 对于非常高的温度,当温度趋于无穷时,磁化强度是零。为了理解这一点,我们首先需要注意到,如果自旋A和自旋B仅有一个小的相关系数 ,自旋B和自旋C又仅有一个小的相关,而A和C之间相互独立的话,那么A和C的相关系数就是 。对于两个自旋,如果相互间隔距离为L的话,那么相关系数就是 ,如果两点之间存在n条路径的话,那么这个值还需要增加n倍。 对于d维方形网格,长度为L的两点间存在的路径数目为: 上述结论其实很简单:对于每一步,都存在2d种可选的方向 在低温,即T趋于0时,所有的配置都在最低能量配置的附近,这时,几乎所有的自旋都是上旋或下旋的。Peierls重点考察是否会发生这样一种情况: 在低温下,所有的的上自旋通过涨落,自发的变到全是下自旋 。要让上述情况发生,关键在于上自旋的一些零零散散的小簇,能够聚集成一个大的集团。 在下自旋的大环境下,上自旋小簇的能量正比于簇的边界长度L。对于长度为L的簇,整个区域的大小是介于(L-2)/2和(L/4)^2之间的。引入一个簇的概率正比于因子exp(-H/kT)。然而该因子需要乘以长度为L的簇的总数量,该数量小于长度为L的路径的总量,即: 因此,来自于簇的总的自旋贡献,就可以表示为 该值对于低温趋向于零。在极低的温度下,该值指数下降,因此,磁化强度不会涨落的离-1太远。 至此,Peierls就可以得出结论,二维Ising模型中,磁化强度最终定义了一个超级区(superselection sector),该超级区和其他区域相隔离,不会被其他区域有限的涨落所影响。 从而也就必然会存在相变了 ...... 欲知后事如何,且听下回分解。。。
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诚信还分领导和老百姓?
热度 26 xcfcn 2011-10-25 10:51
诚信还分领导和老百姓? 本来我刚说想沉潜一段时间的。但是科学网的谬论太多了!我还是废话几句。 科学网的如下观点总是能获得喝彩:弱势群体 / 学生 / 青椒总是对的,总是可以理解 / 同情的,即使他们干了乱七八糟的事情。 现在,就是他们踩塌了社会的底线——也是社会运转的润滑剂——诚信的时候,还依然有人大声站出来为他们说话!其中最响亮的口水竟然是:“ 讲诚信,敬请向领导讲去吧! ”言下之意,我们不讲诚信是被逼的,是上面造成的!这是一种非常荒谬也是极其有害的论调! 首先,从理论上来讲,承诺这种东西,完全是个人的 独立 意志,一个成年人必须对自己言行负责!其他的任何因素都不能成为你不诚信的理由,正如南京彭宇案不能成为你不救助老人的理由一样。 其次,从实践来讲,我们是年轻人,我们是弱势群体,我们为了自己的发展和利益,可以理直气壮的不讲诚信,以后我们年老了,我们变成强势群体了,难道我们就会讲诚信了吗?这样下去,这个世界的熵只会越来越大, 我们会为自己的“小聪明”透支未来! 最后, 年轻人要走正道,这绝对是对自己一生最有利的选择。 歪门邪道或许一时能让你走捷径!但是,世界上我还没听说过,那个人是靠歪门邪道成就一番事业的! 我曾经是愤青,我很理解大家对社会的痛恨,但是我们在批判社会的时候,我们也要躬身自省,我们也是社会的一分子。 至少我们自己不要做自己痛恨的事情,我们不能一边骂娘,一边干些见不得人的勾当! 而且,我们年轻人的个人努力绝对是有价值的!根据相变理论 / 复杂理论,这样的人多了,社会总有一天是会发生相变的。也就是所谓的“功不唐捐”。具体理论上的支撑可看郝柏林院士的 博 文 。 此文也算是自勉!大家少一点戾气,多一点自省和付出,这个世界一定会更美好的!
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相变、成核与空化(4)
seisman 2011-8-23 20:35
相变、成核与空化(4)
地震地热说原理:知识库 8 相变、成核与空化(4) 本文节译自《 CAVITATION AND BUBBLE DYNAMICS 》 by Christopher Earls Brennen © Oxford University Press 1995 。 作者不懂节译是否涉及版权问题。此书从网上免费下载,作者只节译自己所需章节用作公益性科学研究的基础资料,非商业用途。如有不当,请专家们指正。谢谢本书的原作者,也谢谢张宇宁先生的推荐。 Seisman 2011.8.6 记 1 相变、成核与空化 1.15 初始空化的测量 为了进一步说明前一节中所描述的某些影响,我们试图就初始空化的大量文献做一个简要的介绍。更多的细节读者可参考Acosta与Parkin(1975), Arakeri (1979), Rood (1991) 的综述 , 以及 Knapp 、 Daily 和 Hammitt(1970) 的书。 我们要说明的第一个影响是液体抗拉强度的不确定性。我们很难描述而且几乎不可能去除液体中(比如我们所用到的水道中)那些影响成核的微粒、微泡和杂质气。这就可能造成不同设施或者相同设施而水的纯度不同情况下初始空化数(甚至是空化形式)实质性的差异。 国际拖曳水池会议 ITTC (International Towing Tank Conference)的比较实验提供了特别引人注目的例子,在世界上不同水道进行同样轴对称 headform 实验(称为 ITTC headform )空化情形是大大不同的。作为例子,那些实验中 σ i 的变化见图1.10。 图 1.10 对世界不同水道在相同轴对称 headform 中的初始数测量 收集的数据是国际拖曳水池会议进行 初始空化 比较研究的 (Lindgren 和 Johnsson 1966, Johnsson 1969) 。 为进一步说明 , 图 1.11 绘制了 Keller (1974) 在绕半球状物体水流中所获得的初始空化数资料。 水的处理方式不同,以便得到不同的核粒群,如图 1.11 左图所示。正如我们所期待的, 核粒群很大的水也就具有很高的 初始空化数。 由于空化核粒对理解初始空化至关重要,我们现在意识到在任何初始空化研究中均须对液体出现的核粒数进行检测。水槽中或者大洋中典型的核粒数量分布早在图 1.8 显示过。然而 ,值得 注意的是,目前使用的大多数测量方法尚处在发展阶段。基于声散射和在光散射的装置尚在进行探讨。其他被称为空化率计的仪器可引起液体样本空化并测量所产生宏观泡沫的数量和大小。也许最可靠的方法就是采用全息术建立一个放大的液体样品体积的全息立体图像以进行核粒测量。Billet(1985)新近评论过空化核测量的现状(也见Katz等 1984)。 图 1.11 处理自来水和未处理自来水的核粒群及相应的初始空化数直方图 三种不同直径 3 cm 、 4.5 cm 、 6 cm 的 headform 实验,因而 雷诺数也不同(Keller 1974) 有趣的是 , 许多设施中空化本身也是核粒的来源。这是因为空气溶解在液体会产生低压下的溶液而对宏观空泡贡献一份空气分压。当那个空泡流动到高压区域时,蒸汽凝结,留下一个小气泡,如果真是这样,它就只能慢慢地再溶解。这意外的现象会对第一个水道造成很大的伤害,因为它是直接模拟风洞的。在这个工作层对空化体操作几分钟后发现,由空化产生的气泡数目增加得很快,开始完成设备的环流并转向回归流动。不久 , 工作层被两相流变得模糊不清了。这个溶解包含两个组成部分。第一,水道需要适应长而深的回流柱以便水保持高压从而有足够的时间再溶解大部分空化生成的核粒。这样的回流柱称为“吸收柱”。第二,大部分水道设施都有“除气器”,用来减低水中的空气含量以达到饱和态的20%到50%。这些说法足以解释任何设备中 N(R N ) 都会随操作条件而改变,还可以通过脱气和过滤加以改变。 空化本身对设备中核粒群影响的后果之一就是当压力提高、空化消失时的空化数可能与压力下降、空化出现时的空化数不同。第一个值被称为 “ 末尾( desinent )” 空化数,用 σ d 表示,以区别于初始空化数 σ i 。这些值的差异称为 “ 空化滞回 ” (cavitation hysteresis , Holl 和 Treaster1966) 。 另一个后果是判断空化出现的主观性。目测并不总是可行的,除非事件(单个气泡生长和溃灭)的数量逐渐上升而超过了空化数,使事情变得很醒目。因此,如果我们依据一定事件率来判断,初始空化数就不可避免地随核粒群而升高。实验发现,噪音的产生比起目测来既简单又可重复测量初始数。下面还会继续以上关于空化受核粒群影响的讨论,它已经可以量化了。 图 1.8 大多数的数据是多少经过过滤,或者脱气,或者是很纯净的大洋水。因此,有极少数的核尺度大于100m。另一方面,在水中使用液压时气泡会更大。于是,当这些泡通过泵或者其它设备的低压区时会显著生长,即使到处压力高过蒸汽压也会如此。这种现象叫做“伪空化”( pseudo-cavitation)。虽然初始空化数并非与环境特别有关,但在这种环境下来测量 σ i 数会比 -C pmin 大很多。 另外,如果液体相当纯净,只有非常少的核粒,则这种液体所能承受的张力意味着初始空化时压力必须降到 p V 以下,则 σ i 会比 -C pmin 小很多。因此水的质量及其胞核会导致初始空化数比 -C pmin 更 大或者更小。 1.16 初始空化数据 虽然文献中因为核粒数量和特性未知而显得很多初始空化数据不足,但依据这些数据来探讨某些重要趋势是有价值的。为此,我们可以放心地认为每一个研究者在评估初始空化时都有一个一致的标准。所以 , 虽然数据是从不同的研究人员和广泛分散的设施取得,但我们希望这些各别研究项目所得到的趋势具有定性的意义。 图 1.12 一种 NACA 4412 水 翼的初始空化特征 (Kermeen1956) 。 首先 考虑一个单一的水翼,攻击角是可变的。图 1.12 所示为 Kermeen(1956) 对 4412 NACA 水翼取得的数据。当攻击角度为正时低压区和初始空化会发生在吸力面,当攻击角度为负时这些现象会发生在压力面。此外 , 当攻击角度由任一个方向增大时, -C pmin 值会增大,故初始空化数也会增大。我们将在下一章节中讨论,改变液压装置的尺寸和速度以实现初始空化的比拟(scaling)会是一个重要问题,特别是将水道实验模型规模比拟到适合原型尺寸测量的结果是很需要的,比如船舶螺旋桨的开发。对单个水翼实验的典型数据如图 1.13 所示 (Holl 和 Wislicenus 1961) 。数据是 三种尺寸12%的 Joukowski 水翼( 攻角为零 )在不同速度下取得的。曲线以 雷诺数为背景绘制,为的是将这些数据归纳为单个的曲线。事实表明存在尺寸和速度的效应,用雷诺数可以将它们区别开来。似乎有理由认为,有一个缺失的参量是核粒大小与弧长的比率。然而,在缺少核粒信息的情况下,这纯属推测。 图 1.13 三种尺寸的 Joukowski 水翼 攻角为零时的 desinent 空化数和作为雷诺数 R e 的函数 (Holl 和 Wislicenus1961) 注意 , 理论上 C pmin = -0.54 。 为了完成可能影响初始空化的因素表, 有必要提到流体中接触面的粗糙度和湍流大小的影响。这两个影响相互有关联,因为粗糙度会影响到湍流大小。但是,粗糙度还会影响到边界层分离流动的延迟,因而影响到全局的压力场和速度场。读者可参考Arndt和Ippen(1968)有关表面粗糙度影响初始空化的详细论述。 湍流对初始空化的影响是由于核粒本身是处在漩涡的核心,那里的压力低于平均压力。因此,当它在平均压力作用下没有成泡的话,现在就会成泡。因此,紊流会促进空化,但我们必须考虑到因为改变分流口的位置可能会改变全局的压力场。初始空化的这些复杂的粘性影响最早是Arakeri和Acosta(1974)、Gates和Acosta (1978) (也参见 Arakeri 1979)等人详细研究过的。许多内流在高紊流环境下的初始空化问题,比如在泵里面发生的问题,至今尚没有详细的考究。 1.17 初始空化的比拟 最后一节提出的错综复杂的问题,有助于说明为什麽严重问题依然是如何衡量初始空化的问题。这或许是水力工程师必须面对的最棘手的问题。船舶螺旋桨或者大的涡轮泵的模型试验可能让设计师准确地估计装置的无空化性能。然而 , 他不可能同样有信心面对初始空化数据的测量问题。 考虑一下这个问题的更多细节。改变装置的尺寸不只是改变滞留时间效应,也改变了雷诺数。此外,现在核粒是在尺寸不同的装置里而不是在模型里。改变速度以保持雷诺数的比例不变,只会进一步改变滞留时间而使问题变得混乱。而且,改变速度也会改变空化数。为了恢复模型的条件,我们必须改变压力水平,它能改变核粒含量。还有一个问题是在模型 中和原型中关于表面粗糙度我们能做点什么。 另一个问题是如何根据另一种液体所获得的数据来预测本液体的空化现象。文献中包括大量源于水的数据,而有关其他液体的数据很少。的确,我除了水以外没有其他任何液体核粒数的分布。由于核粒扮演着重要的角色,因此不奇怪我们目前从一个液体比拟到另一个液体的作法纯粹是试验性的。 离开这个主题而不重视后面两节集中讨论初始空化的问题是不恰当的。空化一旦建立,所发生的现象对一些特殊因子,比如核粒含量,就不太敏感了。因此,对成熟空化的比拟比起初始空化的比拟会大有信心。然而,这并非鼓励工程师们完全避开空化问题。 参考文献(略) 本章完。下一章:球泡动力学 (陈立军、陈晓逢译,陈立军校 )
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相变、成核与空化(3)
seisman 2011-8-20 21:13
相变、成核与空化(3)
地震地热说原理:知识库 7 相变、成核与空化(3) 本文节译自《 CAVITATION AND BUBBLE DYNAMICS 》 by Christopher Earls Brennen © Oxford University Press 1995 。 作者不懂节译是否涉及版权问题。此书是网上免费下载的,作者只是节译自己所需章节,而且是用作公益性科学研究的基础资料,非商业用途。如有不当,请专家们指正。谢谢本书的原作者,也谢谢张宇宁先生的推荐。 Seisman 2011.8.6 记 1 相变、成核与空化 1.11 成核网点群 在开水池中,最热的液体是靠近池子的固体加热壁的,因此所有成核网点都发生在这个表面上。为了成核过程定量化,有必要给成核网点定义一个面密度分布函数 N(R P ) 。这里 N(R P )/ dR P 是单位面积内大小为 R P 到 R P + dR P 之间的网点数, N 的单位为 m -3 。另外,还要知道由已知过热 ∆ T 施加影响的网点尺寸大小。 典型地,由张力 β S / R P * 激励下的 网点都会大于 R P * 。其中 β 是某个归一的常数。对已知的临界过热有 (1.11) 于是,由特定过热 ∆ T 所带来的 单位面积 网点 数 n( ∆ T) 为 (1.12) 图1.7给出的 Griffith 和 Wallis (1960) 的数据说明了这种效应。 左边的图形为抛光铜表面3种液体单位表面积 n 活性 成核网点数 的测值。三条曲线对应于三个不同液体的 N(RP) 。右图为对一个特殊表面用等式1.11取β = 2 来验证等式 1.12 真实性的曲线。 图 1.7 抛光铜表面单位表面积 n 活性 成核网点 的实验数据 据 Griffith 和 Wallis (1960) 。 卷入空化过程中的 成核网点的识别很难,因而以往曾经引起很大的争论。这是因为,并不像开水池里那样在加热面上开水承受着最大的张力,而是由于液体体积的扩大使得压力下降了。因此液体内的微小杂质颗粒或者微泡的出现成了潜在的成核网点。特别地,微米级颗粒里的空洞最早是Harvey等人(1944)提出来作为潜在“空化核”的。文章中将这种颗粒流的空洞称为“自由流动核”,以区别于流动边界面上所出现的“表面核”。正如下面我们将要看到的那样,很多观察结果空化开始出现时都是自由流动核活跃的结果而不是表面核。因此有必要描述这些自由流动核特定的技术背景,有必要控制他们在基本实验研究中的浓度。这两种任务其实都不是非常容易的。事实上 , 直到最近几年才找到可靠的自由流动核密度的测量方法,并在不同尺度液体系统中得以发展应用。在过去所采用的方法,包括 库尔特计数器、声学的、光散射技术等对样品的分析 (Billet 1985) 。然而, 最可靠的数据可能是由液体的全息图得到的。它可以重建并通过显微镜检测。粒径分布结果通常作为成核密度分布函数 N(R N ) ,于是由 R N 到 R N +dR N 单位体积内的自由流动核数为 N(R N )dR N ( N 的单位为 m -4 )。图1.8中给出了在3个不同水通道以及太平洋海域洛杉矶、加州等测得的过滤和脱气水的典型分布(O'Hernet al. 1985, 1988)。其他人的观测结果分布形状类似(当 R N 5 • m 时 N 大致对应于 R N -4 ),但空气含量高而测值很大(Billet1985)。 图 1.8 在三个不同 水通道 (Peterson et al. 1975, Gates and Bacon 1978, Katz 1978 , 空化数 σ 如图所示 ) 以及洛杉矶外海、加州 (O'Hern et al. 1985, 1988) 采用全息技术测量的空化核密度数分布函数 鉴别这些核的性质是很难的事。在下一节的讨论中会看到,在不饱和的液体内任意长的时间内究竟多么小的充气微泡能够存在确有些实际问题。 现有的实验技术不可能分别评估固体颗粒的数量与微泡的数量。虽然两者都能充当成核网点,但微泡似乎更容易成长为宏观可见的气泡。有一种方法已经用于这些核的计数,即取得即将成核的样本吸入到小小的 文丘里管内。成核的核粒在低压管子里可以计数,而且浓度很小,因而成核事件在时间上能够加以区分。于是,如果管子里流速是已知的,便可得到核粒浓度与压力大小的函数关系。这种装置称为核粒密度计,只能用于浓度小于 10 cm -3 的情形 (Billet1985) 。 如果所有的自由流动核的组成和特征都是一样的,我们可以得出这样的结论,即一定张力 ∆ p 能激活的核粒数大于 β ∆ p / S , β 为常数。然而,对核粒成分和特性了解不够,以及其他流体力学因素的影响,实际情形会大大低于这个数值。 1.12 杂质气体的 影响 事实上几乎所有的液体都含有一些溶解气体,几乎是不可能完全消除的。例如 , 要花费数周的脱气时间才能将水中的空气浓度降到 3ppm 以下 ( 大气下的饱和度大约为 15 ppm ) 。 如果核化泡内包含一些气体 ,则 泡内压力是气体分压和蒸汽压的总和。因此,液体的平衡压力为 p = p V + p G -2 S / R ,临界张力为 2 S / R - p G 。于是,溶解气体会降低本来的抗张强度。实际上,如果气体浓度导致很大的 p G 值,抗张强度会是负值,液体中的空泡要在大于蒸汽压的压力下才会生长。 上面我们提到的是液体中的气体在预先存储的压力下不饱和的情形。从理论上讲 , 没有气泡能在气液不饱和的均衡状态存在,除非是压力总保持在 p V + p G 以上的纯净液体。这里的 p G 是均衡气压(见 2.6 节)。纯净液体中它们会溶解消失,使得液体的抗张强度飞快增大。然而当脱气或者高压真正能引起抗张强度有些增长时,其效果并非如我们想象的那么大 (Keller 1974) 。这种情况曾经引起一些争论,至少有三种像样的解释,各有其优点。第一个是 前面提到的哈维核,认为气泡存在于颗粒或者表面的裂缝里并得以保留,因为在流体中可以见到的自由面带有很大凸形弯曲的几何形状使得表面张力能支撑液体的高压。第二个而且很难理解的是可能由于宇宙辐射引起的核粒的连续生长。第三个是Fox和 Herzfeld (1954)提出的 “ 有机皮肤 ” 论,它可以使气泡的自由表面弹性足以抵挡高压。虽然不像前面两个说法更有理,但此说由于表面流变学的新近发展而得到广泛地接受。表面流变学认为液体里很少量的杂质能形成很大的表面弹性效应。这些表面杂质可以用电子显微镜检测到。 1.13 流动液体中的成核 或许最常见的空化是发生在流动液体系统内,是因为流动区域中的压力降到蒸汽压以下而由流体动力学形成的结果。雷诺(Reynolds 1873) 是19世纪后半叶第一个试图解释船舶螺旋桨高速运转时所观测到的异常现象的。雷诺集中研究了 螺旋桨 叶片尾部带入空气的可能性 , 我们称之为 “ 通气量 ”( ventilation ) 。然而 , 他似乎没有考虑到尾流充满蒸汽的可能性 。这个问题留待 Parsons (1906) 识别出汽化 所扮演的角色。他还第一个主导了“空化”(这个词是Froude提出来的)实验,由于它对性能的不良影响,由于它产生噪音并且损坏固体表面,从此这个现象成为一个专门研究的课题。 为了便于讨论,我们将考虑一个稳定的、单相流的牛顿液体,其密度为常数ρ L , 速度场为 u i (x i ) ,压力为 p(x i ) 。在这样的流体中可以定义一个参考速度 U ∞ 和参考压力 P ∞ 。流体外部环绕着固体物质, U ∞ 和 P ∞ 是通常的均匀逆流速度和压力。运动方程满足参考压力均匀变化而导致整个流体内部压力同样均匀变化的条件。于是,压力系数 (1.13) 是不依赖于已知几何形态流动边界的 P ∞ 的。此外 , 流体内 还会 有一些位置 x i * ,其 C p 和 p 最小,为方便起见, Cp(x i * ) 值可以用 C pmin 来表示。注意,这个值是个负值。 流体内的粘滞效应用 雷诺数 ( Reynolds number ) 来表示 , Re = ρ L U ∞ • / • L = U ∞ • / ν L 。式中 • L 和 ν L 是液体的动力学粘度和运动学粘度, * 是特征长度的比例。对于一个已知的几何形态, C p (x i ) 和 C pmin 只是稳定流中 Re 数的函数。在理想情况下,液体内无粘性,无摩擦,可以适用伯努利方程, C p (x i ) 和 C pmin 便只取决于 液体 边界的几何形态,而与任何其它参数无关。为了目前的讨论 , 我们将假设在所取的流体形态下单相流的 C pmin 是已知的,或者是由实验测得,或者是理论计算结果。 因此 ,下一步是要考虑 在一个给定的流体内 ,当整体的压力下降或者流速的上升以致流体内某些点上接近参考温度 T ∞ 下的蒸汽压 Pv 。为了描述这种关系,我们定义一个 空化数 σ 为 (1.14) 任何流体,无论空化与否,都有某个 σ 值。很清楚,如果 σ 值足够的大(与 p V (T ∞ ) 相比较 P ∞ 足够地大或者 U ∞ 足够地小),单相液体流就会发生。然而,当 σ 值减小,而在某个特定的 σ 值开始成核,这个值称为初始空化数,记为 σ i 。此刻我们不会顾及到观测初始空化有多难了。 σ 值进一步降到 σ i 值以下,蒸汽泡的数量和大小都会增加。 在液体不能抵挡任何张力而且当 p 达到 p V 时蒸汽泡会突然出现的假设液体流中,很清楚 σ i = - C pmin (1.15) 因此,初始空化数可以通过观测或者单相流的测量来确定。 举例来说,假如一个自由流动核沿着包含 x i * 点的流线移动(见图1.9)。当 σ -C pmin 时,沿整个轨道的压力大于 p V 。 当 σ = -C pmin 时,核粒遇到 p = p V 只是一个极小极小的时刻。 当 σ < -C pmin 时,核粒经受 p p V 也只是有限的时间。就 自由流动核而言,能使得 σ i 不同于 -C pmin (再次提醒 -C pmin 一般是正数)的有两种情况。第一种情况是在 p = p V 时没有成核。在脱气液体中成核需要一个正的张力 ∆ p C ,因此成核要求空化数小于 -C pmin ,即 σ i = -C pmin - ∆ p C / ½ρ L U ∞ 2 。在含有大量杂质气体的液体内,实际上 ∆ p C 是负的,因此 σ i 会大于 -C pmin 。第二种情况是一个核粒成长为可见的尺度需要在 p p V - ∆ p C 条件下有一定的驻留时间。这个停留时间会使可观测到的 σ i 小于 -C pmin - ∆ p C / ½ρ L U ∞ 2 。下一章我们会见到,空泡的生长速率 从根本上受到液体和蒸气的热力学性质影响,因而是液体温度的函数。因此, σ i 也会取决于液体的温度。 图 1.9 流线上压力分布的原理图 1.14 初始空化的粘滞效应 前面 的讨论只局限于理想的稳流。那时也还假定流动是无粘性的,因此一个已知流体形状的 -C pmin 值是一个简单的正的常数。然而,当包括粘滞效应时, -C pmin 就变成雷诺数 Re 的函数,因此我们会期待在稳流中观测到在这个雷诺数时的初始空化数 σ i 。为方便,我们称之为稳流粘滞效应。 到目前为止 , 我们假设的流动和压力是层状的和稳定的。然而 ,工程上需要处理的大多数流体都是紊乱的,不稳定的。 涡流的出现不仅因为他们是紊流所固有的,也是因为自由旋涡和强制旋涡脱落二者造成的。这对初始空化有重大影响,因为在旋涡中心的压力可能会大大低于流体的平均压力。当起初空化在一个中心压力大大低于平均压力的短暂的旋涡中产生时, -C pmin 的测量或计算将会得到最低的平均值。与停留时间因素不同的是,这可能导致很高的 σ i 值,甚至超乎我们的想象。它还会使 σ i 随雷诺数 Re 变化。注意,这里要与 Re 对 C pmin 的影响区分开,我们把这种影响称为湍流效应。 总之 , 有许多原因会使 σ i 不同于在单相流动中用压力计算得到的 -C pmin 值。 1) 抗张强度的存在会使 σ i 下降。 2) 停留时间效应会使 σ i 下降。 3) 杂质气的存在会使 σ i 上升。 4) 由于 C pmin 对 Re 的依赖性造成的稳定粘滞效应会使 σ i 成为 Re 的函数。 5) 湍流效应会使 σ i 上升。 如果不是因为这些效应 ,空化 预测将会是一个确定 C pmin 值的简单事情。不幸的是 , 这些影响可能会导致标准值 σ i = - C pmin 的严重偏离,在很多应用中造成重大的工程后果。 而且, 上述讨论识别的参数必须得以控制,或者至少在系统实验中初始空化时加以测量。 1) 空化数 σ 。 2) 雷诺数 Re 。 3) 液体温度 T ∞ 。 4) 液体质量,包括自由流动核的数量和性质,溶解气体量和自由流动的紊流。 5) 固体质量,边界表面,包括 表面粗糙度(因为这可能影响流体动力学),以及孔隙度或凹陷口。 因为这是一个难办的事情,因为很多效应,比如紊流的相互作用和初始空化最近才能加以鉴别,所以不奇怪以往的很多实验中难以将各个效应加以区分。不过 , 这些实验的有些讨论是有现实意义的。 (陈立军、陈晓逢译,陈立军校 )
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相变、成核与空化(2)
seisman 2011-8-15 20:00
相变、成核与空化(2)
地震地热说原理:知识库 6 相变、成核与空化(2) 本文节译自《 CAVITATION AND BUBBLE DYNAMICS 》 by Christopher Earls Brennen © Oxford University Press 1995 。 作者不懂节译是否涉及版权问题。此书是网上免费下载的,作者只是节译自己所需章节,而且是用作公益性科学研究的基础资料,非商业用途。如有不当,请专家们指正。谢谢本书的原作者,也谢谢张宇宁先生的推荐。 Seisman 2011.8.6 记 1 相变、成核与空化 1.6 成核的类型 在任何实际试验或应用中,薄弱点(weakness)可有两种典型的形式产生。液体内的热运动形成暂时的、可以构成破裂的微型核,并生长成大的空泡。这种称为均匀成核。在实际工程情况下经常会发现,大的薄弱点多发生在液体与固体容器壁之间的边界上,或者发生在液体与液体内悬浮小颗粒之间。当这种位置发生破坏时便称为异质成核。 在接下来的章节我们简要综述均匀成核理论,以及一些在干净系统中进行的实验结果与理论值的比较。 作为 均匀成核主题的总括,重要的是要记住,运用液体分子运动论的观点只容许一种薄弱点的形式存在,即由于分子热运动产生的短暂的空洞。在真实的系统中则可能出现其他几类的薄弱点。第一种可能是成核发生在液体和固体边界的接触部位。动力学理论已经在包括 异质成核方面得到发展,并能估计异质成核的机会是比 均匀成核的机会大一些还是小一些。重要的是要记住,异质核化也可以发生在液体内非常小的、亚微米级的杂质颗粒上。实验中这种情况很难和 均匀成核加以区别。 薄弱点的 另一个重要的形式是杂质气体的 微米级空泡(微气泡)。它们可以出现在固体边界的裂缝里或者液体里的悬浮粒子里,甚至就在液体里自由悬浮着。在水中,微气泡看起来是那样不确定,而且几乎无法完全排除掉。后面我们还会看到,或许是接触面被污染的缘故,它们似乎无法完全溶解掉。虽然在一个小的实验样品中或许能把这些核粒去掉得差不多,但在工程上却比比皆是。除了水之外,液体中经常会出现的各种污染物并没有得到同样的关注。 另一个重要的污染形式 是 宇宙辐射。 高能粒子和一个液体的分子之间的碰撞可以储存足够的能量使它有可能成核时便开始成核,不然成核的机会很少。 当然了,这就是泡沫室的 原理 (Skripov , 1974) 。虽然这个问题超出了本书的范围,重要的是要记住 , 自然发生的宇宙射线在所有我们能想到的情况下都可以促进成核。 1.7 均匀成核原理 纯净液体中水汽空洞形成的基础物理研究可以追溯到吉布斯的开创性研究 (Gibbs , 1961) 。均匀成核的现代理论归功于 Volmer 和 Weber(1926), Farkas(1927), Becker 和 Doring(1935) , Zeldovich(1943) 等人。这方面的专著,读者可参考 Frenkel(1955) 和 Skripov (1974) 的书,最近的文本见 Carey (1992) 、 Blake (1949) 、 Bernath (1952) 、 Cole(1970), Blander 和 Katz (1975) 、 Lienhard 和 Karimi(1981) 。我们在此只是简略地介绍一下均匀 成核的原理 ,省略了许多详细的热力学问题,更多的细节的请读者参见上述文章。 在一个纯净液体内,表面张力是分子间作用力为保持分子聚集在一起而避免出现大的空缺的宏观显现。液体气泡外压力 P , 气泡的半径 R , 与气泡内部压力 P B 的关系为 P B – P = 2 S / R (1.3) 式中 S 为表面张力。 在本节及下面章节中都假定,表面张力的概念 ( 或者说,表面能量 ) 可以扩展到气泡或者是几倍分子间距尺度的空缺位。这种近似是非常之精确的 (Skripov , 1974) 。 如果温度 T 是 均匀的,空泡内只含有蒸气,则 内部压力 P B 即为 饱和蒸气压 p V (T) 。 然而 , 外部的液体压力 p = p V -2 S / R 将会小于 p V 以达到平衡状态。因此,如果外部液体压力保持恒定并稍稍少于 p V -2 S / R ,则空泡会生长, R 会变大,导致生长的余压会增高,破裂会发生。这意味着,如果空缺存在的最大值是 Rc ( 称为临界半径或聚类半径 ) ,则液体的抗张强度 ∆ p C 为 ∆ p C = 2S /Rc (1.4) 在由分子随机运动所产生的短暂空缺的情况下,这个简单表达式 ∆ p C = 2S / Rc 必然带有概率的概念,即空缺 Rc 会发生在施加张力的时间之内或者是观测时间之内。这样就会产生一种可能性,液体将会在有效时间内、在给定的张力作用下发生破裂。 我们 感兴趣的是典型的表面张力 S = 0.05 kg / s 2 、临界空缺或者空泡尺寸 Rc 与 10 -10 m 分子间距差不多的情形。此时 计算所得的抗拉强度 ∆ p C 为 10 9 kg / m s 2 或 10 4 atm 。这个结果与 1.4 节估计的抗拉强度一致,自然也与实验结果有差距。 等式1.4是均匀形核理论的3个基本关系中的第一个。我们需要确定的第二个表达式是给定在纯净液体内为生成核粒或者临界尺寸为 Rc 的微气泡所必须存储的能量增量。假设临界核粒是与它生成后的环境处于热力学平衡状态的,则有两部分必须存储的能量增加。首先,能量的存储要适应空泡表面能量的存储。根据表面张力 S 的定义,表面张力是总面积 4 π R C 2 S 中每个单位面积 S 的总和。同时,液体必须向外移位以生长空泡,并对系统作功。在能量增加中的压力差就是空泡内外的压力差(其估值 ∆ p C 由等式1.4给定)。作功等于空泡的数量乘以压力差,或者是 4πR C 3 ∆ p C / 3 。此功是液体由于生成空泡而造成移位所作的功。于是,由于生成空泡而必须存储的净能量 W CR 为 (1.5) 由 等式1.4和等式1.5消去 R C ,可将临界存储能量表达式写成 (1.6) 事实上 , 的确是吉布斯 (Gibbs , 1961) 首先阐述这个表达法。更多详细的资料读者可参考 Skripov(1974) 和其他人的著作。 均匀形核理论的最后一步是有关存储能量在有效时间内达到 W CR 量级可能性的产生机制的估计。等式1.6可估计在有效时间内液体能够维持张力 ∆ p C 的可能性。在完全避开外部辐射的纯净液体内,问题变成对分子热运动的随机性导致局部能量扰动达到 W CR 量级的可能性的估计。因此,大多数均匀形核理论将 W CR 与分子动能 kT ( k 为 玻尔兹曼常数 )相关联,以 Gibbs 数来表示 Gb = W CR / kT (1.7) 这意味着一个给定的 Gibbs 数将对应于给定的有效时间、给定容积内一个成核事件的一定的概率。为随后的使用也提出了 W C R 的其他基本关系式。比如Lienhard 和 Karimi (1981)发现 W C R 与 kTc ( T C 是临界温度)有关而不是与 kT 有关。这样与实验结果也更加吻合。 有关定义为单位容积、单位时间内成核数目的成核率 J 与 Gibbs 数 Gb 关系精确的数值表达式的 一般形式为 J = J 0 e -Gb (1.8) 式中 J 0 是某种比例因子。有多种 J 0 的表达式,经典形式是由 Blander 和 Katz (1975) 给出的 (1.9) 式中 N 为 液态的数密度 ( 分子数 / m 3 ) , m 是 一个分子的质量。尽管 J 0 可能是温度的函数,但它对 J 0 误差的影响比起等式 1.8 中 Gb 的 指数影响来说是很小的。 1.8 与 实验结果的比较 成核率 J 是由等式 1.8 、 1.7 、 1.6 以及像 等式 1.9 这样一些有关 J 0 的式子给出的。它随温度的变化在理解实验结果中是很重要的。考虑与给定成核率 J 相当的张力 ∆ p C 为 方程 (1.10) 此式 可以用来计算已知温度 T 的液体的抗张强度,了解表面张力随温度以及其它流动特性的变化,还给出了一个特定的临界成核速率 J 的标准定义。值得注意的是,第一,温度对张力最重要的影响是通过分子里的 S 3 实现的。由于在临界点 S 大致随 T 降为 0 ,则在临界点由于 S 3 项而使 ∆ p C 变成温度的强函数。相反, J 0 的温度影响差不多可以忽略不计,因为它只是对数项。在远离临界点的低温状态下,由于 S 3 变化很小, ∆ p C 对温度的依赖性很小,随温度的变化也很小。 随着讨论的深入,事情变得 清晰了。我们可以把实验结果分作压力大致为0的拐点线上下两个温度范围来讨论。这个温度划分也可以由适用的状态方程来实现,取 T / T C = 0.9 。当温度在 T C 和 0.9 T C 之间时,抗张强度可以用等式 1.10 来计算,因为此时的临界 集群半径 Rc = 2 S / ∆ p C , 相当地大。比如,张力为1巴时相应的核粒 R C = 1 • m。这表示亚微米级的杂质颗粒或者微气泡在这个温度范围内对实验结果的影响很小,因为此时热的薄弱点是很大的。图1.4, 据 Skripov 1974 ,给出了 单位体积过热乙醚以太的平均寿命 ( 1 / J ) 。图中数据是 依据饱和温度 Ts 绘制的。实验中取 4 个不同的正压力(因为是正压力,所有的数据都位于 T C T 0.9 T C 范围内)。 图1.4表明几个重要特征。第一,所有 1 / J 5 s 的数据都对应均匀成核的情况,与均匀成核理论十分吻合。当 1 / J 5 s 时实验数据大大偏离理论结果,是由于在过热状态很小的情况下导致成核的辐射造成的。图中也表明,过热界限与我们在等式 1.10 的讨论中所想象的“临界”成核率的取值关系不大。由于这些图线都差不多是垂直的,我们由实验结果可以得到一个可能的过热或者张力的最大值,而不必规定一个特定的临界成核率。 图 1.4 实验观察到的单位体积过热乙醚以太在四个不同的压力下的平均寿命 ( 1 / J ) 压力分别为 (1)1 巴, (2)5 巴、 (3)10 巴、 (4)15 巴,依据饱和温度 Ts 绘图。 曲线对应两种均匀成核理论 ( 据 Skripov1974) 图 1.5 取自 Eberhart 和 Schnyders(1973) , 提供了在这个过热极限内五种不同液体的数据。在这个 正压力的范围内,大多数液体可能过热的最大值都与均匀成核理论的预测相符。实际上, Lienhard 和 Karimi (1981) 曾经证明,这个极限值十分接近液体的拐点线,其数据可以用于液体在亚稳态时的模型状态方程。图 1.5 包含与几种常见规律的比较。图中的数据与 11.5 的临界 Gibbs 数相符,该值可用于式 1.6 和 1.7 以简化大多数液体在正压力下的过热极限。 图 1.5 五种不同液体的过热极限数据与液体旋节线的比较 数据来自五个不同的状态方程 , 包括 van der Waal(1) 和 Berthelot(5) ( 据 Eberhart 和 Schnyders 1973) 不幸的是 , 其中的一个例外是最常见的液体 , 水。甚至当 T 0.9 T C 时,实验数据仍低于最大过热的预测值。例如 , 估计最大过热温度在大气压下为 300 ℃ ,而实验取得的数据为到 280 ℃ 。这种差异的原因似乎并没有得到很好的解释( Eberhart 和 Schnyders 1973) 。 以上是关于温度大于 0.9Tc 的讨论,下面转到低温下的情形。大约在 0.9Tc 以下时,过热极限对应于负压情形。其实,图1.5包括低于 -0.4 p C ( T 大约为 0.85 T C ) 的数据,表明由均匀成核理论所得到的过热极限预期值可以达到这个温度。 Lienhard 和Karimi(1981)计算过水在更低温度下的理论极限值,结论是,比 Gb= 11.5 更准确的值是 W CR /kT c = 11.5 。 低温下误差和不确定性增大的原因之一是均匀成核理论隐含着很大很大的张力 ∆ pC ,因而 临界集群半径是很小很小的。这意味着几乎所有的其他核原变得很重要,并能在低于 均匀成核理论预期值很多的情况下造成破坏。对水来说,甚至在 T 0.9 T C 时出现不确定性,以至于均匀成核理论与正常温度下的水毫不相干。 1.9 抗张强度实验 水的抗张强度实验可追溯到 Berthelot(1850) 。他的基本方法为 许多后来的研究者所采纳。实验由真空条件下的新鲜毛细管内密闭的脱了气的纯净液体组成。加热毛细管使液体膨胀,当达到某一高温(和高压)时充满了管子。然后冷却,在某一特定的温度(和压力)下就能看到破裂。抗张强度可以由这些温度和液体压缩率的计算值求得。另一些有用的方法包括Vincent(1941)的力学波纹管(也见Vincent 和 Simmonds 1943),Reynolds (1882)的旋转U型管,以及Davies(1956)等人的活塞装置。所有这些实验困难重重 , 需要小心控制的不仅是液体的纯度,而且包括固体表面的性质。在许多情况下很难判定均匀形核是否发生,或者是在固体边界上发生了断裂。而且,这些实验中所取得的数据也是很散乱的。 在 新鲜毛细管内, Berthelot(1850) 在常温水中达到了 50 巴的张力。 Dixon(1909) 进一步改进,达到了 200 巴,但是依然与理论极限值相差甚远。有关水和别的液体的类似结果据报道还有 Meyer (1911) 、 Vincent(1941) 等人。业已搞清楚,容器的材料起很大的作用, Rees 和 Trevena (1966) 用钢制的 Berthelot 管未能达到玻璃管中所观测到的张力高值。显然,资料表明抗张强度是液体杂质和容器表面特性的函数,我们必须关注这些重要的因素。 1.10 异质成核 在均匀形核时我们考虑过微观的没有半径R的核,它生长而当液体内的压力 p 降低到临界值 p V -2S/R 以下时导致液体破裂,因此抗张强度为 2 S / R 。现在我们来考虑如图1.6所示固液界面上的一个类似的数。 图 1.6 异构成核的多种模式 液体 / 蒸气 / 固体交叉点的接触角用 θ 来表示。于是,疏水平面的抗张强度为 2Ssin θ / R , R 为 空缺的典型最大尺寸。理论上,当 θ 趋于π 时 抗张强度可为0。另一方面,亲水平面的抗张强度与均匀成核的抗张强度差不多,因为空缺的大小是差不多的。因此我们可以推断,疏水平面的存在会引起异质成核,并且会大大降低抗张强度。 当然,在我们所关心的微观尺度上,表面并不是平的,所以我们必须考虑局部表面几何形态的影响。锥腔的情况下 (c) 通常被认为是为了体现表面几何形状影响的例子。如果锥腔顶点的半角用 α 来表示,则抗张强度为0比较多的可能是发生在 θ = α + π /2 而不是 θ → π 。而且,如果 θ α + π /2,则蒸汽泡会生长,并且当压力大于蒸汽压时会充满锥腔。 因此,如果我们考虑到表面的微观几何形状,就一点也不会奇怪在一些特殊的表面空腔内当压力达到空腔附近的蒸汽压时会生长出蒸汽囊来,特别是当表面是疏水面时。但是还剩下几个问题。第一,如何会有一个蒸汽囊首先产生?大多数实验似乎表明有一些吸附在固体表面的微小的杂质气囊。 这也许 就好像在新鲜毛细管中的情形, 事实可能有助于解释 Berthelot管实验中测量到的更大张力。第二个问题是,这些蒸汽囊如何越过固体表面包层进入到液体内。我们依然可以认为,剧烈的破裂需要在液体内出现很大的空缺,因此平面配置对大尺度仍然是适用的。答案显然取决于表面的复杂拓扑结构。如果锥腔的开口有 10 -5 m 的大小,使得空泡膨胀以突破表面包层的张力只需要十分之一个大气压,实验可以证实。 显然,固体表面上一些特定点位具有促进气泡生长和宏观显现的最佳几何特征。这些位置称为 成核网点 。此外 , 很清楚的是 , 当压力降低 得 越来越多,网点将成为能够产生并向液体里释放蒸气泡。这种现象当你在炉子上烧一壶开水时很容易见到。沸腾之初,气泡只出现在几个特殊的位置,当水壶越来越热,网点活跃起来。因此,成核网点密度作为过热的函数是泡核沸腾定量分析的一个重要组成部分。 (陈立军、陈晓逢译,陈立军校 )
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相变、成核与空化(1)
热度 2 seisman 2011-8-6 19:30
相变、成核与空化(1)
地震地热说原理:知识库 5 相变、成核与空化(1) 本文节译自《 CAVITATION AND BUBBLE DYNAMICS 》 by Christopher Earls Brennen © Oxford University Press 1995 。 作者不懂节译是否涉及版权问题。此书是网上免费下载的,作者只是节译自己所需章节,而且是用作公益性科学研究的基础资料,非商业用途。如有不当,请专家们指正。谢谢本书的原作者,也谢谢张宇宁先生的推荐。 Seisman 2011.8.6 记 1 相变、成核与空化 1.1 前言 本章着重解释气液两相混合态的形成机制 , 尤其关注的是液体中气泡形成的过程。介绍中我们力求将研究活动中几个带有重合性的部分融合在一起。首先是从 Frenkel(1955) 和 Skripov(1974) 的书中归纳出来的成核的基本原理的研究成果。这些书中介绍了大量很纯的液体和干净的环境以确保属于纯净液体的特性。另一方面,很多工程系统在成核的过程中起了很重要的作用。本章后半部分将介绍在这样的工程环境中成核的物理机制。这一工程学科大致分为两个单独的研究领域,即空化和沸腾。这两种过程的一个简单而有效的区别方法,是将空化定义为当压力低于气态压力时在液体内的成核过程,而将沸腾定义为当温度超过饱和气液温度时所发生的成核过程。当然,从物理学的角度来看,这两个过程只有些许的差别,而我们则要尽力同时区分开这两种成核过程。产生这两种过程差异的原因是存在一些复杂的因素,即一方面是由于温度梯度的差异造成空化流,而另一方面则是由于壁效应造成了沸腾。本章最后一节将详细介绍这些复杂的因素。 1.2 液态 任何有关液态变气态或者气态变液态的讨论都离不开对液态的讨论。虽然用简单的运动学理论来理解气态就足以达到我们的目的,但还是要进一步考虑到液态的性质。因此我们还是要遵循 Frenkel(1955) ,尽管现代的研究通常是基于统计力学的(比如 Carey , 1992 )。 我们的讨论从经典的相位图开始,虽然它比较理想化,但也是符合基本事实的。图 1.1 表示压力 P 、温度 T 和相应体积 V 的典型图形,图中标明了物质的状态。三相点是固、液、气三态共存的,也就是说,在这里的物质有三种可供选择的状态。气液饱和线(或称双相线)从三相点开始一直延伸到临界点。从热力学上说它是根据这样的事实来确定的,即两个共存相的化学势必须相等。在这条线上的气态和液态表现为一种 “ 无相态 ” ,随着等温线体积的变化可以一会儿是气态一会儿是液态,即一种中间的不稳定状态。按照 Frenkel(1955) 的说法, “ 在不稳定态下,由液态到气态或者由气态到液态的实际转换不是按照理论的等温线(图 1.1 右图中的虚线)而是按照水平的等温线(实线)进行的。这与原有的同种物质分化为两种不同物质的共存相是一致的…… ” 临界点是理论等温线的最大值和最小值皆为 0 而间断点不存在的点。 在理论等温线线上与最大值相交的被称为蒸汽拐点线,与最小值相交的称为液体拐点线。显然这两条线汇聚在临界点。这两条拐点线与饱和线(或称双相线)之间的两个区域是很值得重视的,因为它表示这些区域的理论等温线在某些特殊条件下是可以实现的。例如 , 如果一种纯液体在状态 A( 见图 1.1) 是恒温条件下减压的,当压力降低到低于 B 点压力 ( 饱和蒸汽压 ) 时会出现好几种情况。如果有足够数量、足够大小的核粒存在(详后讨论),液体将变为蒸汽沿水平线的状态从 B 和 C 移动,在低于蒸汽压的压力下保持与 E 点相同的平衡状态,然而,如果没有核粒出现,减压可能导致继续沿理论等温状态向下,比如 D 点的位置,称为 “ 亚稳态 ” ,因为条件不具备不能稳定转变到 E 点状态。象 D 点这样的液体被称为张性液体, B 点到 D 点的压力差可作为张力的度量。当然,我们也可以在 D’ 点沿等温线靠升温来到达 D 点状态。因此,也可以把 D 点状态称为过热状态,也可以用 D 点和 D’ 点的温度差作为过热的度量。 类似地我们可以想象,比如 F 点的冷却或加压的蒸汽转变为象 F’ 点的亚稳态蒸汽, F 点和 F’ 点之间的温度差可作为过冷的度量。 图 1.1 典型相位图解 1.3 流动性和弹性 在进行详细的研究之前,有必要先定性地介绍一些液态的性质,并对这些性质与单晶的固态和气态作一番比较。 第一,也是饱和液态与饱和气态最明显的差别是,与固态类似,液态的密度总是保持相对的恒定,只在临界点除外。另一方面,蒸汽的密度差别随着温度的变化至少是从 2 到 5 甚至更多的级别。由于这一点在往后的讨论中也很重要,因此在图 1.2 中画出了多种流体的饱和液态密度与饱和蒸汽密度的比值。比值不是按照空间温度画的,图中 θ = T/T c , T 为实际温度而 T c 是临界温度。 第二,检验饱和液体比热容的测量表明,在不靠近临界点高温的情况下,液体比热容和固体比热容是同一个量级的。 上述液体的两个特征意味着液体分子的热运动与固体分子的热运动以及固体内处于准平衡位置的小振幅振动情况是相似的。分子的排列比起气体来说与固体具有更大的相似性。我们需要强调这种与固体的相似性,以抵消液态好像更像气体而不像固态的想法,因为在很多观测流程中是流动性占主导地位而不是弹性。进而,我们还要指出,固体除了弹性之外也具有流动性。在高温,特别是达到溶解温度的 0.6 到 0.7 时,大多数结晶固体都会发生流动,即我们熟称的蠕变。当应变率很高时,由于位移并非各向同性而发生蠕变(这种蠕变不像是牛顿液体,也不能用一个简单的粘度表征)。当应变率很低时,高温蠕变简单化,晶体点阵里的分子各向同性地移动。这种蠕变是一种扩散性的蠕变,类似于在大多数液态中所观察到的流动性,可以用一个简单的牛顿粘度来表征。 接下来我们会问,液态拥有弹性,那么在很多物理过程中当液体流动时是否还能保持弹性呢。在液态和固态两种情况下,我们可以想象某一个特定的时间 t m ,物质结构内的一个分子从某一位置移动到邻近的另一个位置,另一个方法是我们设想这个特定时间内在物质结构内移动出一个 “ 空洞 ” 或者是从一个位置到另一个位置的空缺,那么,如果施力的时间 t 比 t m 小,则物质在过程中不会出现永久变形而表现为弹性,并非是流动性,而如果 t t m ,就会出现流动性。因此,尽管结论相当简单,相对于某一特定的施力时间 t ,我们可以用一个很长的 t m 时间来表征固态而用一个很短的 t m 时间来表征液体。这种情况的一个例子是,地球的地幔在考虑地震波传播时把它当做固体而在很长很长的地质时期内它则像液体一样漂流着。 图 1.2 各种纯物质饱和液体密度与饱和蒸汽密度比值作为温度函数的曲线 在扩散蠕变中,当现象是靠空缺扩散的随机事件控制时,观察时间 t 就变得尤为重要。在许多情况下,成核的过程也是靠这种随机事件控制的,所以观测时间将在确定这一过程中发挥重要的作用。经过一段很长的时间,很有可能空缺会联合起来形成蒸汽雾团,以致成核。相反的,这种设想也可能存在,在蒸汽泡尚未形成之前一个相当长的时期内液体可能会变成一种拉张状态(负压)。这种场景很多年之前就见到过。 1850 年, Berthelot (1850) 使净化水在屈服之前的拉张达到 50 个大气压。液体的这种抗张性能与很多我们熟悉的固体抗张性能很相似,也是液体弹性的一种表现。 1.4 抗张强度的说明 Frenkel(1955) 通过一个简单但有意义的计算阐述了纯净液体潜在的抗张强度。假定两个分子彼此分开一定的距离 s ,它们相应的势能为 Φ ,其分子间的作用力如图 1.3 所示。分子平衡出现在分开距离 x 0 点,相应值为 10 -10 m 。分子间的引力等于 ∂ Φ/ ∂ x ,而在某点 x 1 为最大值,相应的 x 1 / x 0 值为 1.1 或 1.2 。在大部分液体或固体中这个值相当于体积的膨胀部分 ∆ V / V 0 ,约为 1/3 。因此,在施以恒定的拉张应力使其等于 x 1 点的势能,就会彻底破坏液体或固体,因为在 xx 1 点的引力难以抵挡张力。事实上,液体和固体的压缩模量为 κ ,其值一般在 10 10 ~ 10 11 kg/ms 2 范围内,由于压力 P = -κ ( ∆ V / Vo ) ,则相应的液体破坏压力 P T 为 -3 × 10 9 到 -3 × 10 10 kg /ms 2 。换句话说,我们的估算是基于液体或固体能够承受 3 × 10 4 到 3 × 10 5 大气压!实践中由于应力集中而固体达不到这个极限值(断裂的应力通常要少 100 倍),也就是说,在某些点实际应力可以达到上面所说的高值而整体的平均应力却依然还是小 100 倍。在液体里这样大的拉力强度理论值与所有的实践经验不符,这个矛盾必须处理。 图 1.3 分子间的势能 这里是继续上述计算很有用的又一步计算 (Frenkel , 1955) 。上述系统每个单位体积内所储的弹性能为 κ( ∆ V) 2 /2Vo ,或者是 | P | ∆ Vo / 2 。因此,我们必须给所有的分子提供足以分开的能量,汽化液体的估计值为 | P T | / 6 或者 5 × 10 8 ~ 5 × 10 9 kg /ms 2 。这个结果与对很多液体所做蒸汽测量的潜热值是同一个量级的。另外,我们可以正确估计临界点温度 T C 的量级,方法是假定临界点上每个分子热运动的动能为 kT C , k 是分子玻尔兹曼常数, 1.38 × 10 -23 kg/m 2 s 2 K ,等于物体内所有分离分子所需的能量。取每立方米的分子数为 10 30 ,这意味着 T C 是按每单位体积内热运动的动能求得,或是按 1.38 × 10 7 × TC 到 | P T | / 6 求得的。这样所得到的相应值的量级为 30 → 300 ° K ,与实际值的量级相符。因此,我们发现这个简单的模型面临两难,虽然它比较正确地预测了汽化热的量级和临界温度,但它不能预测液体所能承受的抗张强度。我们只能说,并不像蒸发潜热和临界温度那样, 抗张强度取决于液体内的薄弱点。这种薄弱点存在时间很短,而且很难量化,因为它们可能是由于微小的杂质所造成的。 这个困难,以及对张力作用时间的依赖性,大大增加了对抗张强度的任何理论估计的难度。 1.5 空化和沸腾 正如我们在 1.2 节讨论过的那样,液体的抗张强度至少有两种个方法可以实现: 1) 恒温下的液体可以调低压力 P 到饱和蒸汽压 P v 之下。( P v -P )值称为张力 ∆ P ,液体在产生破坏时的抗张强度为 ∆ P C 。在大致恒温条件下由于压力下降所造成的液体破坏过程通常称为空化。 2) 恒压下的液体可以调高温度 T 使其超过正常的饱和温度 T S 。 ∆ T = T-T S 值称为过热值,此时蒸汽形成。 ∆ T C 为临界过热值。在大致恒压条件下由于温度升高所造成的液体破坏过程通常称为沸腾。 虽然空化和沸腾的基本机制是十分类似的,但区分它们形成蒸汽的热动力学路径的差异也是很重要的。事实上存在两种不同的路径,因为,虽然在液体内很容易引起一致的压力变化,但很难构成一致的温度变化。所以,当变化量很小时抗张和过热的临界值可能是相关的。根据 Clausius-Clapeyron 关系式, ( 1.1 ) 式中 ρ L 、 ρ V 是饱和液体和蒸汽的密度, L 是蒸发时的潜热。除非接近临界点,我们有 ρ L ρ V , 而且 dp/dT 近似等于 ρ V L/T 。因此 (1.2) 例如,在 373 ° K 的水中,密度 ρ V = 1 kg/m 3 , 20 ° K 即相当于 1 个大气压张力时的过热值为 L = 2 × 10 6 m 2 /s 2 。强调一点的是,式 1.2 仅在张力和过热值很小的情况下提供了一种有用的关系。当 ∆ P C 和 ∆ T C 很大时必须用适当的物态方程来建立数值关系。 (陈立军、陈晓逢译,陈立军校 )
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jwl189 2011-4-22 14:51
Phase transition From Wikipedia, the free encyclopedia. In physics, a phase transition is the transformation of a thermodynamic system from one phase to another. The distinguishing characteristic of a phase transition is an abrupt sudden change in one or more physical properties, in particular the heat capacity, with a small change in a thermodynamic variable such as the temperature. Examples of phase transitions are: The transitions between the solid, liquid, and gaseous phases (evaporation, boiling, melting, freezing, sublimation, etc.; see also vapor pressure) The transition between the ferromagnetic and paramagnetic phases of magnetic materials at the Curie point. The emergence of superconductivity in certain metals when cooled below a critical temperature. Quantum condensation of bosonic fluids, such as Bose-Einstein condensation and the superfluid transition in liquid helium. The breaking of symmetries in the laws of physics during the early history of the universe as its temperature cooled. Phase transitions happen when the free energy of a system is non-analytic for some choice of thermodynamic variables - see phases. This non-analyticity generally stems from the interactions of an extremely large number of particles in a system, and does not appear in systems that are too small. It's sometimes possible to change the state of a system non-adiabatically in such a way that it can be brought past a phase transition without undergoing a phase transition. The resulting state is metastable i.e. not theoretically stable, but quasistable. See superheating and supercooling and supersaturation. Contents 1 Classification of phase transitions 1.1 Ehrenfest classification 1.2 Modern classification of phase transitions 2 Properties of phase transitions 2.1 Critical points 2.2 Symmetry 2.3 Critical exponents and universality classes 3 References 4 External links Classification of phase transitions Ehrenfest classification The first attempt at classifying phase transitions was the Ehrenfest classification scheme, which grouped phase transitions based on the degree of non-analyticity involved. Though useful, Ehrenfest's classification is flawed, as we will discuss in the next section. Under this scheme, phase transitions were labelled by the lowest derivative of the free energy that is discontinuous at the transition. First-order phase transitions exhibit a discontinuity in the first derivative of the free energy with a thermodynamic variable. The various solid/liquid/gas transitions are classified as first-order transitions because they involve a discontinuous change in density (which is the first derivative of the free energy with respect to chemical potential.) Second-order phase transitions have a discontinuity in a second derivative of the free energy. These include the ferromagnetic phase transition in materials such as iron, where the magnetization, which is the first derivative of the free energy with the applied magnetic field strength, increases continuously from zero as the temperature is lowered below the Curie temperature. The magnetic susceptibility, the second derivative of the free energy with the field, changes discontinuously. Under the Ehrenfest classication scheme, there could in principle be third, fourth, and higher-order phase transitions. Modern classification of phase transitions The Ehrenfest scheme is an inaccurate method of classifying phase transitions, for it is based on the mean field theory of phases (to be described in a later section.) Mean field theory is inaccurate in the vicinity of phase transitions, as it neglects the role of thermodynamic fluctuations. For instance, it predicts a finite discontinuity in the heat capacity at the ferromagnetic transition, which is implied by Ehrenfest's definition of "second-order" transitions. In real ferromagnets, the heat capacity diverges to infinity at the transition. In the modern classification scheme, phase transitions are divided into two broad categories, named similarly to the Ehrenfest classes: The first-order phase transitions are those that involve a latent heat. During such a transition, a system either absorbs or releases a fixed (and typically large) amount of energy. Because energy cannot be instantaneously transferred between the system and its environment, first-order transitions are associated with "mixed-phase regimes" in which some parts of the system have completed the transition and others have not. This phenomenon is familiar to anyone who has boiled a pot of water: the water does not instantly turn into gas, but forms a turbulent mixture of water and water vapor bubbles. Mixed-phase systems are difficult to study, because their dynamics are violent and hard to control. However, many important phase transitions fall in this category, including the solid/liquid/gas transitions. The second class of phase transitions are the continuous phase transitions, also called second-order phase transitions. These have no associated latent heat. Examples of second-order phase transitions are the ferromagnetic transition, the superfluid transition, and Bose-Einstein condensation. Several transitions are known as the infinite-order phase transitions. They are continuous but break no symmetries (see Symmetry below). The most famous example is the Berezinsky-Kosterlitz-Thouless transition in the two-dimensional XY model. Many quantum phase transitions in two-dimensional electron gases belong to this class. Properties of phase transitions Critical points In systems containing liquid and gaseous phases, there exist a special combination of pressure and temperature, known as the critical point, at which the transition between liquid and gas becomes a second-order transition. Near the critical point, the fluid is sufficiently hot and compressed that the distinction between the liquid and gaseous phases is almost non-existent. This is associated with the phenomenon of critical opalescence, a milky appearance of the liquid, due to density fluctuations at all possible wavelengths (including those of visible light). Symmetry Phase transitions often (but not always) take place between phases with different symmetry. Consider, for example, the transition between a fluid (i.e. liquid or gas) and a crystalline solid. A fluid, which is composed of atoms arranged in a disordered but homogenous manner, possesses continuous translational symmetry: each point inside the fluid has the same properties as any other point. A crystalline solid, on the other hand, is made up of atoms arranged in a regular lattice. Each point in the solid is not similar to other points, unless those points are displaced by an amount equal to some lattice spacing. Generally, we may speak of one phase in a phase transition as being more symmetrical than the other. The transition from the more symmetrical phase to the less symmetrical one is a symmetry-breaking process. In the fluid-solid transition, for example, we say that continuous translation symmetry is broken. The ferromagnetic transition is another example of a symmetry-breaking transition, in this case the symmetry under reversal of the direction of electric currents and magnetic field lines. This symmetry is referred to as "up-down symmetry" or "time-reversal symmetry". It is broken in the ferromagnetic phase due to the formation of magnetic domains containing aligned magnetic moments. Inside each domain, there is a magnetic field pointing in a fixed direction chosen spontaneously during the phase transition. The name "time-reversal symmetry" comes from the fact that electric currents reverse direction when the time coordinate is reversed. The presence of symmetry-breaking (or nonbreaking) is important to the behavior of phase transitions. It was pointed out by Landau that, given any state of a system, one may unequivocally say whether or not it possesses a given symmetry. Therefore, it cannot be possible to analytically deform a state in one phase into a phase possessing a different symmetry. This means, for example, that it is impossible for the solid-liquid phase boundary to end in a critical point like the liquid-gas boundary. However, symmetry-breaking transitions can still be either first or second order. Typically, the more symmetrical phase is on the high-temperature side of a phase transition, and the less symmetrical phase on the low-temperature side. This is certainly the case for the solid-fluid and ferromagnetic transitions. This happens because the Hamiltonian of a system usually exhibits all the possible symmetries of the system, whereas the low-energy states lack some of these symmetries (this phenomenon is known as spontaneous symmetry breaking.) At low temperatures, the system tends to be confined to the low-energy states. At higher temperatures, thermal fluctuations allow the system to access states in a broader range of energy, and thus more of the symmetries of the Hamiltonian. When symmetry is broken, one needs to introduce one or more extra variables to describe the state of the system. For example, in the ferromagnetic phase one must provide the net magnetization, whose direction was spontaneously chosen when the system cooled below the Curie point. Such variables are examples of order parameters, which will be described later. However, note that order parameters can also be defined for symmetry-nonbreaking transitions. There exist also dual descriptions of phase transitions in terms of disorder parameters. These indicate the presence of line-like excitations such as vortex- or defect lines. Symmetry-breaking phase transitions play an important role in cosmology. It has been speculated that, in the hot early universe, the vacuum (i.e. the various quantum fields that fill space) possessed a large number of symmetries. As the universe expanded and cooled, the vacuum underwent a series of symmetry-breaking phase transitions. For example, the electroweak transition broke the SU(2)×U(1) symmetry of the electroweak field into the U(1) symmetry of the present-day electromagnetic field. This transition is important to understanding the asymmetry between the amount of matter and antimatter in the present-day universe (see electroweak baryogenesis.) See order-disorder Critical exponents and universality classes Continuous phase transitions are easier to study than first-order transitions due to the absence of latent heat, and they have been discovered to have many interesting properties. The phenomena associated with continuous phase transitions are called critical phenomena, due to their association with critical points. It turns out that continuous phase transitions can be characterized by parameters known as critical exponents. For instance, let us examine the behavior of the heat capacity near such a transition. We vary the temperature T of the system while keeping all the other thermodynamic variables fixed, and find that the transition occurs at some critical temperature Tc. When T is near Tc, the heat capacity C typically has a power law behaviour: The constant α is the critical exponent associated with the heat capacity. It is not difficult to see that it must be less than 1 in order for the transition to have no latent heat. Its actual value depends on the type of phase transition we are considering. For -1 α 0, the heat capacity has a "kink" at the transition temperature. This is the behavior of liquid helium at the "lambda transition" from a normal state to the superfluid state, for which experiments have found α = -0.013±0.003. Experiment was performed in satellite to minimize pressure differences in sample (see here). Result agrees with theoretical prediction based on variational perturbation theory (see here). For 0 α 1, the heat capacity diverges at the transition temperature (though, since α 1, the divergence is not strong enough to produce a latent heat.) An example of such behavior is the 3-dimensional ferromagnetic phase transition. In the three-dimensional Ising model for uniaxial magnets, detailed theoretical studies have yielded the exponent α ~ 0.110. Some model systems do not obey this power law behavior. For example, mean field theory predicts a finite discontinuity of the heat capacity at the transition temperature, and the two-dimensional Ising model has a logarithmic divergence. However, these systems are an exception to the rule. Real phase transitions exhibit power law behavior. Several other critical exponents - β, γ, δ, ν, and η - are defined, examining the power law behavior of a measurable physical quantity near the phase transition. Exponents are related by scaling relations such as β = γ / (δ ? 1), ν = γ / (2 ? η). It is a remarkable fact that phase transitions arising in different systems often possess the same set of critical exponents. This phenomenon is known as universality. For example, the critical exponents at the liquid-gas critical point have been found to be independent of the chemical composition of the fluid. More amazingly, they are an exact match for the critical exponents of the ferromagnetic phase transition in uniaxial magnets. Such systems are said to be in the same universality class. Universality is a prediction of the renormalization group theory of phase transitions, which states that the thermodynamic properties of a system near a phase transition depend only on a small number of features, such as dimensionality and symmetry, and is insensitive to the underlying microscopic properties of the system. References Anderson, P.W., Basic Notions of Condensed Matter Physics, Perseus Publishing (1997). Goldenfeld, N., Lectures on Phase Transitions and the Renormalization Group, Perseus Publishing (1992). Landau, L.D. and Lifshitz, E.M., Statistical Physics Part 1, vol. 5 of Course of Theoretical Physics, Pergamon, 3rd Ed. (1994). Kleinert, H., Critical Properties of φ4-Theories, World Scientific (Singapore, 2001); Paperback ISBN 98102465876 (readable online here). Kleinert, H., Gauge Fields in Condensed Matter, Vol. I, "SUPERFLOW AND VORTEX LINES; Disorder Fields, Phase Transitions,", pp. 1--742, World Scientific (Singapur, 1989); Paperback ISBN 9971-50-210-0 (readable online here
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相变、历史与几何
热度 12 yonglie 2011-4-15 08:44
1909年, Henry Adams 写了一篇有趣的文章 :“ 用于历史的相律 ”—— 把热力学中的 Gibbs相律 用到人类历史。他认为,历史是向平衡演化的过程,而军国主义国家却要逆转它,它们就像 Maxwell小妖 。在给弟弟的信中,他也拿人比原子,而把总统比小妖。 Gibbs相律说, 任何平衡系统中,不同的相数(P,如液相、固相)、组元数(C,如化合物的数目)和自由度(F,能变化的参量数)满足简单的数字规律 : F = C – P + 2 例如,在水的三相点,F= 1 – 3 + 2 = 0,没有自由变量,参量(温度与压力)都是固定的。如果写成 P – C + F = 2 ,我们自然想起 Euler公式 (三个字母分别代表凸多面体的点、边和面的数目)。 类似的联想, Hawking 找到一个。 他的黑洞热力学,其实就是从几何关系里发现了第二定律的类比 。用热力学解释历史的好像还多,而其中最普通的就是用第二定律来描述历史演进的趋势。可是,当我们考虑 引力系统 以致 更一般的相互作用系统 时,有序也能从无序生出来,用这个热力学来研究历史,要有趣得多。 假如把相变看成 流形之间的映射 ,那么相律似乎意味着相变构成一个映射的 “同伦类”, 即映射的模2度( degree of modulo 2 )。令人疑惑的是,相变发生在临界点,而同伦类的构成在正则点。相变问题大概关联着相空间流形的拓扑性质。 辛稼轩 有句词 :“千古兴亡多少事”, 其实已经包含了三个学科:历史、代数、几何,也就是预言了历史与代数几何的渊源,只是文史家们不懂“多少”的意思 !
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洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(2)
热度 3 chunyinzhou 2011-3-16 12:43
洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(2)
洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(2) The Fate of Subducted Slabs:Perspectives from Studies of Phase Transitions in the Earth’s Mantle (续)接 《洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(1)》 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=92454do=blogid=422988 , 现为第3章和第4章。 3.大陆地壳(岩石圈)的深俯冲 大陆岩石圈(地壳)与大洋岩石圈具有较大的区别,其在年龄、物质、结构等方面均存在较大差异,地球化学组成上更加复杂。 目前对于大陆地壳的深俯冲研究资料比较有限,主要是针对代表性的大陆地壳物质成分进行高温高压实验,从矿物和岩石物性方面进行解释和分析。Irifune et al.(1994)]和Wu et al.(2009)分别对平均大陆上地壳成分(氧化物合成)和天然大陆上地壳岩石(副片麻岩)进行了高温高压相变实验。两者在物质成分上略有差异(参考Wu et al.,2009原文中的成分对比Table),区别是前者所使用的物质成分为化学合成样品,后者使用的是中国东部大别山双河地区的副片麻岩天然样品。 图14. Mineral proportion changes in the continental crust composition as a function of pressure. Point = the results of a mass-balance calculation using chemical composition data obtained in the present experiments; Cpx = clinopyroxene; Coe = coesite; Or = orthoclase; Ga = garnet; Ky = kyanite; Wd = K2Si4O9 wadeite; Hol = KAlSi3O8, hollandite; St = stishovite; CAS = unidentified Ca and Al-rich silicate; CaPv = CaSiO3 perovskite; CF = calcium ferrite-type phase. (Irifune et al.,1994) 图15. Mineral proportions of the subducted upper continental crust as a function of pressure. Ca–Pv, Ca pervoskite; Cs, coesite; Ep, epidote; C, graphite heater; Cpx, jadeite. Grt, garnet; Holl, KAlSi3O8-hollandite; Jd, jadeite; K-mica, K rich mica with unknown structure; Law, lawsonite; M, melt. Or, orthoclase; Phe, phengite; St, stishovite. (Wu et al.,2009) 随压力(深度)增加,所观测到的物相见图14和15,详细的相关系请参考原文叙述,在此不再赘述。Wu et al(2009)实验结果与 Irifune et al(1994)在氧化物体系的实验有如下两方面差异:(1)Wu et al(2009)的实验中未出现 CAS 相;(2)Wu et al(2009)研究中硬玉(Cpx)含量高于 Irifune et al(1994)的实验,且未观察到硬玉在约 24 GPa 分解为 NAL(NaAlSiO4)+斯石英。 图16. Zero-pressure density changes in the continental crust (CC) and pelagic sediment compositions (SIL = siliceous facies; ARG = argillaceous facies) as a function of pressure. Density changes in a pyrolite composition are also shown for comparison. (Irifune et al.,1994) 图17. Comparison of the calculated densities of the subducted continental crust and MORB (Aoki and Takahashi, 2004; Hirose et al., 1999) with respect to the density profile derived from PREM model (Dziewonski and Anderson, 1981). Density calculations were carried out along the three geotherms which are typical for cold and hot subduction and normal mantle. The thirdorder high-temperature Birch–Murnaghan equation of state was used in the density calculations.(from Wu et al.,2009) 结果发现,陆壳物质在8-9GPa以下其密度远远低于pyrolite的密度,但随后在斯石英和K-锰钡矿等高压矿物的形成以及连续的脱水作用下,陆壳物质的密度将超过pyrolite甚至MORB,在660km不连续面时pyrolite和俯冲陆壳物质的密度相近(图 16,17);但随着压力继续增加进入下地幔时,林伍德石相变分解形成更高密度的钙钛矿和镁方铁矿,下地幔顶部岩石密度将再次远远大于深俯冲陆壳物质的密度。由此可见,大陆上地壳在深俯冲作用过程中或许至少可以俯冲到400km以下的地幔转换带中,这对于我们认识大陆俯冲动力学具有重要的意义。至于大陆上地壳岩石在更高压力的下地幔条件下行为如何,目前尚缺乏直接的高温高压实验数据。Irifune et al.(1994)推测,大陆上地壳物质的密度将会一直低于下地幔岩石的密度,致使俯冲陆壳板片被阻挡在地幔转换带底部处。 以上是对两个代表性的高温高压实验研究对大陆地壳深俯冲命运探索的介绍,下面继续介绍Komabayashi等(2009)对大陆代表性岩石的密度计算结果及其对大陆物质深俯冲命运的启示。 图18. Zero-pressure density profile to 27 GPa for TTG (this study), anorthosite (this study), MORB (Irifune and Ringwood, 1987; Hirose et al., 1999), pyrolite (Irifune and Ringwood, 1987), and harzburgite (Irifune and Ringwood, 1987). (from Komabayashi et al.,2009) Komabayashi等(2009)根据相关数据资料对大陆TTG岩石和斜长岩与MORB、pyrolite及方辉橄榄岩的密度对比计算表明(图18),TTG岩石在9-10 GPa左右斯石英矿物组合形成以后直至下地幔,其密度始终都是大于pyrolite;而斜长岩在9-10 GPa左右斯石英矿物组合形成以后直至转换带底部(24 GPa左右),其密度一直都大于pyrolite,但在转换带底部由于pyrolite中后尖晶石相变生成了更高密度的钙钛矿和镁方铁矿矿物组合,密度关系倒转;在25GPa左右斜长岩中的石榴石相变其密度再次短暂超过pyrolite,而在此深度以下,斜长岩的密度一直都略小于pyrolite。可见,大陆TTG岩石在深俯冲过程中是可以穿越660 km不连续面而进入下地幔甚至核幔边界;而对于斜长岩,预计中的大面积斜长岩目前在地表并未找到,可以认为大量的斜长岩在地质历史时期都发生深俯冲而进入了地幔中,由于俯冲物质具有相对较低的温度,这一温度效应可能使斜长岩在深俯冲过程中具有比周围地幔更高的密度,从而也可以穿越660 km不连续面而进入下地幔。 4. 小结 与大陆和大洋岩石圈深俯冲相关的岩石零压密度随深度的变化关系总结在图19中,在660km不连续面以上由于大陆地壳岩石和MORB中可以形成高密度的斯石英或者石榴石(榴辉岩),其密度将大于pyrolite,单从密度考虑有理由相信大陆岩石和玄武质岩洋壳可以发生深俯冲直到转换带底部。即使pyrolite中后尖晶石相变产生了更高密度的钙钛矿和镁方铁矿组合,但是俯冲带内由于具有相对较低的温度而使岩石密度可能更高,另外在下地幔顶部(700-800km)石榴石也逐渐完全转变成高密度的钙钛矿而产生拖拽力,从而使深俯冲的板块可以俯冲至下地幔。 虽然密度是非常重要的因素,然而影响板块俯冲的因素还需要考虑上下地幔的粘性以及相关的热力学因素,另外地球演化和地质历史时期中地幔内部的状态特征与目前的地幔亦有差异,这些因素对于研究古板块和现在的板块的深俯冲作用都具有重要影响作用。 图19. 几种代表性岩石零压密度随压力/深度变化的比较(周春银等,2010).资料来源:Pyrolite(Irifune and Ringwood,1987), MORB(Irifune and Ringwood,1987; Hirose et al.,1999), 斜长岩(Komobayashi et al.,2009), 副片麻岩(Wu et al.,2009), TTG(Komobayashi et al.,2009), 方辉橄榄岩(Irifune and Ringwood,1987). 其中,副片麻岩在24GPa 以上压力条件下的密度变化目前尚缺乏相关的数据. (完) 参考文献: 费英伟, 2002. 地幔中的相变和地幔矿物学. In: 张有学 and 尹安 (Editors), 地球的结构、演化和动力学. 高等教育出版社, 北京, pp. 49-90. 周春银,金振民,章军锋,2010,地幔转换带:地球深部研究的重要方向,地学前缘, 17(3),90-113. Aoki, I. and Takahashi, E., 2004. Density of MORB eclogite in the upper mantle. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 143-144: 129-143. Dziewonski, A.M. and Anderson, D.L., 1981. Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 25(4): 297-356. Kennett, B.L.N., Engdahl, E.R. and Buland, R., 1995. Constraints on seismic velocities in the Earth from traveltimes. Geophysical Journal International, 122(1): 108-124. Hirose, K., Fei, Y., Ma, Y. and Mao, H.-K., 1999. The fate of subducted basaltic crust in the Earth's lower mantle. Nature, 397(6714): 53-56. Irifune, T., Sekine, T., Ringwood, A.E. and Hibberson, W.O., 1986. The eclogite-garnetite transformation at high pressure and some geophysical implications. Earth and Planetary Science Letters, 77(2): 245-256. Irifune, T. and Ringwood, A.E., 1987. 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洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(1)
热度 1 chunyinzhou 2011-3-16 11:16
洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(1)
洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(1) The Fate of Subducted Slabs:Perspectives from Studies of Phase Transitions in the Earth’s Mantle 说明:由于本文插图众多,篇幅较长,不得不将原文章拆分为两部分,总共4章,第1章为前言和背景介绍,第2章讨论洋壳物质的深俯冲命运,第3章讨论陆壳物质的深俯冲命运,第4章小结。 1.前言 关于岩石圈(包括大陆岩石圈/地壳和大洋岩石圈/地壳)的深俯冲命运,是板块构造和地球动力学研究的永恒的话题。岩石圈的深俯冲命运,不可能单一地由某一地学学科(地球化学、地球物理、实验岩石学等)得到完整解释,必须结合多方面的研究成果来认识。本人学识有限,不可能面面俱到,在这里仅从地幔相变研究出发,来稍微做一点介绍。 由于本文讨论是以地幔相变为基础的,因此需要对基本的地幔矿物学知识有所了解才便于理解,大家可以参考本博《 地球内部的基本基本结构和物质组成 》 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=92454do=blogid=408337 及文后参考文献,以及费英伟(2002)的文章(见参考文献);另外最重要的三类岩石的相变,即pyrolite(地幔岩)、方辉橄榄岩和玄武岩(MORB)体系的相变,本博上一篇文章《 地幔相变 Phase transitions in the Earth’s Mantle 》 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=92454do=blogid=419398 已经对此进行了介绍。需要强调地是,本文讨论是以《地幔转换带:地球深部研究的重要方向》一文中的3.5.2节“洋壳和陆壳的深俯冲命运”为主体而展开的,同时加入了更多的原始参考文献数据和图解,内容更加详实丰富。 本文将首先分别讨论洋壳和陆壳物质的深俯冲命运,然后结合Komabayashi等(2009)的文章对其他的代表性岩石的密度-深度剖面进行简单介绍。另外,由于实验条件有限,相关的岩石在下地幔条件下的高温高压相变实验报道很少,本文也将以作者所了解的文献为基础稍作说明。 2.大洋岩石圈的深俯冲 要认识大洋岩石圈的深俯冲命运,首先要对大洋岩石圈的基本结构有所了解。如图1所示,根据Ringwood的模型(e.g. Ringwood and Irifune,1988),大洋岩石圈顶部是一层几公里的相对较薄的玄武岩层(MORB),玄武岩层下面为20多公里厚的方辉橄榄岩层,更下部的为二辉橄榄岩以及“亏损”地幔岩成分物质。在大洋岩石圈深俯冲过程中,二辉橄榄岩以及“亏损”地幔岩层由于物质组成和性质与周围地幔相近,而将会被吸收进入周围地幔环境中,因此,玄武质洋壳(MORB)和方辉橄榄岩的性质变化决定着大洋板块深俯冲的最终命运。 图1. 大洋岩石圈结构图(from Ringwood and Irifune,1988) 2.1玄武质洋壳(MORB)深俯冲命运 The fate of subducted basaltic crust 图2. Phase relations in MORB composition up to 27GPa. Solid lines represent solidus and liquidus temperatures.(Hirose et al.,1999) 图3. Mineral proportions (wt%) in MORB as a function of depth (Perrillat et al.,2006). The solid circles represent the phase proportions estimated in this study from Rietveld refinement of the in situ XRD spectra at 2050 K. Previous estimates by Ono et al. (2001), Hirose et al. (1999) and Irifune and Ringwood (1993) are reported as squares, triangles and open circles, respectively. Mineral abundances at shallower depth region are taken from Irifune et al.(1986). 图4. Experimental conditions and schematic phase relation of NMORB (Ono et al.,2005). Phase assemblages are solid circles, Mg perovskite + Ca perovskite + stishovite + CaFe2O4- type aluminous phase; solid triangle, Mg perovskite + Ca perovskite + CaCl2-type silica + CaFe2O4-type aluminous phase; solid square, CaIrO3-type (Mg,Fe)SiO3 + Ca perovskite + a-PbO2-type silica + CaTi2O4-type aluminous phase. Solid diamonds present results from previous multianvil experiments . Abbreviations in the diagram of phase relation are GA, majoritic garnet; CF, CaFe2O4-type aluminous phase; MP, Mg perovskite; CP, Ca perovskite; ST, stishovite; CC, CaCl2-type silica; CT, CaTi2O4-type aluminous phase; CI, CaIrO3-type (Mg,Fe)SiO3; AP, a-PbO2-type silica. 玄武质洋壳(MORB)体系在地幔中的相变可以参考图2(上地幔),3(下地幔上部)和4(下地幔)。 随着俯冲深度的增加,其中的辉石会逐渐转变为石榴石,玄武岩相变为榴辉岩,而榴辉岩的密度超过了地幔橄榄岩(pyrolite)的密度,驱动着洋壳进一步俯冲到更深的地幔转换带底部(图5;Irifune and Ringwood,1993; Ringwood and Irifune,1988)。但是在转换带底部660处,地幔中的矿物林伍德石相变分解形成更高压高密度的矿物集合体(钙钛矿和镁方铁矿),而MORB由于Al含量比pyrolite更高,致使其中石榴石(majorite)的能够保持稳定至800km深度,石榴石密度比钙钛矿密度低~10%,那么俯冲洋壳的密度将小于周围地幔的密度,成为洋壳穿越转换带底部不连续面的阻碍(图5,6,7)。但是当MORB中的石榴石在27GPa左右完全相变为钙钛矿后,下地幔中MORB的密度将再次大于周围地幔密度(图6,7)。如果俯冲洋壳在转换带底部/上地幔顶部堆积能够突破浮力阻碍而进入下地幔,将可能继续俯冲至核幔边界(图8)。 图5. Density differences between MORB and pyrolite compositions and between harzburgite and pyrolite compositions as a function of depth. (Irifune and Ringwood,1993) 图6. Comparison of zero-pressure density changes in MORB (solid line) and pyrolite (dashed line) (Hirose et al.,1999). Solid circles represent the calculated densities at 24, 26 and 27GPa from X-ray diffraction and microprobe data. The density profle of pyrolite is from a previous study(Irifune and Ringwood,1987). Pyrolite becomes denser than MORB at 660km depth because of the transformation to perovskitite lithology, but once MORB transforms to perovskitite at 720km depth, it is no longer buoyant in the deep mantle. 图7. Comparison of calculated densities in MORB, with average mantle densities based on seismic observations (Ono et al.,2001). It was assumed that the proportions of major phases remained constant for different temperatures. Solid lines represent the isothermal density profiles. The average mantle densities are from Dziewonski and Anderson (1981): PREM and Kennett et al.(1995): AK. 图8. Net density profile of MORB composition.(Hirose et al.,2005) Pressure was calculated based on EOS of gold proposed by (a) Tsuchiya (2003) and by (b) Jamieson et al. (1982). Circles, MgPv+St+CaPv+CF; triangles, MgPv+CaCl2-type SiO2+CaPv+CF; squares, MgPP+a-PbO2-type SiO2+CaPv+CF. Closed and open symbols indicate 300 K and high temperature (1750–2290 K) data, respectively. Broken lines indicate the PREM density. The error of density is typically 0.02 g/cm3, derived from the uncertainties in volumes of coexisting phases and in mineral proportion. (a) Solid line shows a density profile at 300 K for perovskite-dominant assembly fitted to the Birch–Murnaghan equation of state. (b) Data by Ono et al. (2005) using Jamieson’s gold scale were shown for comparison (pluses). Slightly lower density reported by Ono et al. (2005) is primarily due to the lower density of CaFe2O4-type Al-phase with a different chemical composition. 2.2 大洋岩石圈方辉橄榄岩层的深俯冲命运 The fate of subducted harzburgite layer 方辉橄榄岩是俯冲大洋岩石圈中的另一种重要的岩石,它在俯冲过程中与MORB的相变行为不同。方辉橄榄岩的相变见图9. 图9. Mineral proportion changes in a harzburgite compositions as a function of pressure. (Irifune and Ringwood,1987)Opx = orthoenstatite; Cpx = clinoenstatite; St =stishovite; llm = ilrnenite. 根据前人的研究结果(Irifune and Ringwood,1987; Ringwood and Irifune,1988),在660以上,方辉橄榄岩密度始终都小于pyrolite(图 10),这是由于方辉橄榄岩比pyrolite中Fe和Al含量均相对较低,而Al是高密度的石榴石的主要成分之一。在下地幔顶部(24-26GPa),同样由于pyrolite中Al使石榴石稳定至更深部,方辉橄榄岩的密度才略大于周围地幔以及MORB的密度。但是随着pyrolite和MORB中石榴石在27GPa左右完全转变成钙钛矿,此后一直到核幔边界,方辉橄榄岩的密度将始终略微小于相同深度的下地幔岩石(图11)。但是这并不能简单地就此而认为方辉橄榄岩完全无俯冲至下地幔的可能,且看下面的分析。 图10. Density profiles in the harzburgite, MORB and pyrolite compositions along the geotherm as a function of depth. (Irifune and Ringwood,1987) 图11. Bulks density variations of pyrolite, hartzburgite, and MORB calculated, based on the PVT-EoS of constituent mineral phases and their proportions (refer to the paper for details). Broken lines at pressures lower than 30 GPa are results in Irifune (1993).(from Irifune and Tsuchiya,2007) 根据Ringwood的大洋岩石圈模型,Irifune和Ringwood(1987,1988)将玄武岩(MORB)和方辉橄榄岩以1:4的比例(图1,玄武岩和方辉橄榄岩层厚度比大约为1:4)混合来代表深俯冲洋壳的组分,研究俯冲洋壳与周围地幔的密度关系,结果发现在650km以上俯冲洋壳始终比pyrolite密度大,但在下地幔顶部密度关系又倒转过来,而在下地幔700km左右洋壳的密度将再次大于pyrolite,在此深度以下,二者的密度非常接近(图12)。以上结果表明,影响洋壳深俯冲最终命运的关键问题在于能否突破地幔转换带底部的浮力障碍。 图12. Density differences between subducted slab and surrounding mantle. (Ringwood and Irifune,1988) The slab is assumed to consist of 20% basalt and 80% harzburgite and to be cooler than surrounding mantle by 800°C at 400 km and by 400°C at 650 km, attaining thermal equilibrium with surrounding mantle at ~900 km. The surrounding mantle follows the geotherm of Brown and Shankland (1981) and consists of pyrolite above 600 and below 700 km. Between these depths the mantle consists of a pre-existing layer of basalt and harzburgite (图13). Ringwood和Irifune则提出在转换带底部,俯冲的洋壳物质(玄武岩和方辉橄榄岩)可能在660附近堆积而形成一个“巨石”(megalith)(图13;Ringwood and Irifune,1988),这些堆积或残留在转换带底部的洋壳物质及“巨石”可以在横向和纵向上伸展,很可能与所观测到的地震波异常有关;温度相对较低的“巨石”由于高密度而将沉入下地幔中。但是俯冲的洋壳与周围地幔的密度关系非常复杂,相边界的压力-温度斜率此时具有重要意义:转换带底部的主要矿物相是林伍德石和石榴石(majorite),后尖晶石相变和石榴石-钙钛矿相变分别具有负的和正的P-T斜率(Clapeyron Slope),而俯冲带内(或者“巨石”)温度相对周围地幔要低300-400℃,那么意味着在下地幔顶部pyrolite中林伍德石转变成高密度的钙钛矿和镁方铁矿矿物组合后,俯冲带内相对低密度的林伍德石(橄榄石组分)仍可能保持稳定而未发生分解,而石榴石成分则可能已经转变成更高密度的钙钛矿了,由此俯冲带内林伍德石和石榴石组分此时将分别产生正的和负的浮力,二者综合作用的效果尚需进一步的研究。 图13. Model showing subduction of a cool, thick plate of differentiated oceanic lithosphere. Previous subduction episodes involving thin, thermally equilibrated plates have produced a layer of former harzburgite and basalt ('ancient oceanic lithosphere') between 600 and 700 km. The tip of a cool, thick plate experiences buoyant resistance when it penetrates this layer and encounters the discontinuity at 650 km (the 670-km discontinuity in the above figure should read 650-km discontinuity). At that depth the fonner oceanic crust and harzburgite layers may plastically thicken and buckle to form a large melange (megalith) situated mainly below the seismic discontinuity. The megalith is a transient feature and ultimately becomes entrained in the convective regime of the lower mantle. The lower layer of ductile depleted pyrolite initially at the base of the descending plate of sub-oceanic lithosphere becomes resorbed into the upper mantle by convective circulation owing to its inability to penetrate the harzburgite-basalt layer at 600-700 km because of the buoyancy relationships. (from Ringwood and Irifune,1988) (未完,下文见《洋壳和陆壳的深俯冲命运 :来自地幔相变研究的观点(2)》 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=92454do=blogid=423022 ) 参考文献: 费英伟, 2002. 地幔中的相变和地幔矿物学. In: 张有学 and 尹安 (Editors), 地球的结构、演化和动力学. 高等教育出版社, 北京, pp. 49-90. 周春银,金振民,章军锋,2010,地幔转换带:地球深部研究的重要方向,地学前缘, 17(3),90-113. Aoki, I. and Takahashi, E., 2004. Density of MORB eclogite in the upper mantle. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 143-144: 129-143. Dziewonski, A.M. and Anderson, D.L., 1981. Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 25(4): 297-356. Kennett, B.L.N., Engdahl, E.R. and Buland, R., 1995. Constraints on seismic velocities in the Earth from traveltimes. Geophysical Journal International, 122(1): 108-124. Hirose, K., Fei, Y., Ma, Y. and Mao, H.-K., 1999. The fate of subducted basaltic crust in the Earth's lower mantle. Nature, 397(6714): 53-56. Irifune, T., Sekine, T., Ringwood, A.E. and Hibberson, W.O., 1986. The eclogite-garnetite transformation at high pressure and some geophysical implications. Earth and Planetary Science Letters, 77(2): 245-256. Irifune, T. and Ringwood, A.E., 1987. Phase transformations in a harzburgite composition to 26 GPa: implications for dynamical behaviour of the subducting slab. Earth and Planetary Science Letters, 86(2-4): 365-376. Irifune, T., 1993. Phase transformations in the earth's mantle and subducting slabs: Implications for their compositions, seismic velocity and density structures and dynamics. The Island Arc, 2(2): 55-71. Irifune, T. and Ringwood, A.E., 1993. Phase transformations in subducted oceanic crust and buoyancy relationships at depths of 600-800 km in the mantle. Earth and Planetary Science Letters, 117(1-2): 101-110. Irifune, T., Ringwood, A.E. and Hibberson, W.O., 1994. Subduction of continental crust and terrigenous and pelagic sediments: an experimental study. Earth and Planetary Science Letters, 126(4): 351-368. Irifune T, Tsuchiya T, 2007. Mineralogy of the Earth – Phase Transitions and Mineralogy of the Lower Mantle, Treatise on Geophysics,vol2,Mineral Physics,33-62. Jamieson J.C., Fritz J.N., Manghnani M.H., Pressure measurement at high temperature in X-ray diffraction studies: gold as a primary standard, in: S. Akimoto, M.H. Manghnani (Eds.), High-Pressure Research in Geophysics, CAPJ, Tokyo, 1982, pp. 27– 48. Komabayashi, T., Maruyama, S. and Rino, S., 2009. A speculation on the structure of the D'' layer: The growth of anti-crust at the core-mantle boundary through the subduction history of the Earth. Gondwana Research, 15(3-4): 342-353. Ono, S., Ito, E. and Katsura, T., 2001. Mineralogy of subducted basaltic crust (MORB) from 25 to 37 GPa, and chemical heterogeneity of the lower mantle. Earth and Planetary Science Letters, 190(1-2): 57-63. Ono, S., Ohishi, Y., Isshiki, M. and Watanuki, T., 2005. In situ X-ray observations of phase assemblages in peridotite and basalt compositions at lower mantle conditions: Implications for density of subducted oceanic plate. J. Geophys. Res., 110: B02208,doi:10.1029/2004JB003196. Ringwood, A.E. and Irifune, T., 1988. Nature of the 650-km seismic discontinuity: implications for mantle dynamics and differentiation. Nature, 331(6152): 131-136. Tsuchiya T, First-principles prediction of the P–V–T equation of state of gold and the 660-km discontinuity in Earth’s mantle, J. Geophys. Res. 108 (2003) , doi:10.1029/2003JB002446. Wu, Y., Fei, Y., Jin, Z. and Liu, X., 2009. The fate of subducted Upper Continental Crust: An experimental study. Earth and Planetary Science Letters, 282(1-4): 275-284.
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岩石圈中水的相变可能触发地震
Michaelhu 2010-12-31 22:58
地震的触发机制是地震精确预报、或临震预报的关键。 如果把地震总过程分解为孕育和触发等过程:孕育过程应可理解为一个渐变过程,而触发则可理解成为一个突发过程。通过构造分析及相关监测等,可对地震孕育这个渐变过程进行研究,从而可对地震中长期预测和定性预测。而对触发机制等突变过程的研究,可使地震精准预测成为可能。 岩石圈中水在临界点处的二级相变可能触发(强)地震:水在临界点( 374 ℃和 22.1MPa )附近二级相变时,物理化学性质出现临界奇异性突变。此时,水对矿物岩石的溶解度快速增加(荣代潞, 1992 ;龚庆杰等, 2006 ;张荣华等, 2009;等 ),从而明显弱化岩石矿物的力学性质;同时,因临界奇异性 C V 等趋于无穷大、而产生瞬时热高压。 水在临界点处二级相变引起岩石力学性质突然弱化和瞬时热高压,这两方面共同作用可能触发地震 (胡宝群等,2003, 2009 )。 岩石圈中水的一级相变也会引起这两方面的变化,但不出现“临界奇异性”而致部分理化学性质趋于无穷。一级相变时理化性质随温压的变化曲线,相当于数学中的“第二类间断点”的“跳跃间断点”,可出现极大值。岩石圈水的一级相变也可能引起地震,但地震的强度要小得多。 因地温线总是明显偏离水的相变线(胡宝群等,2001),要使岩石圈某处的温压同时达到相变线(点),就非要有断裂不可。故这种水相变触发地震机制的条件是在岩石圈中先有断裂降压至水的临界压力或相变线上(胡宝群等,2009a,b)。 相关证据: 岩石圈中 374 ℃的深度大致与多震层深度相当(因地温线各异相应深度有所变化);地震过程与临界点处相变过程相似;地震前后的特殊气候(耿庆国,2005)可能与地下高温压水(可能还含有一些CO 2 、H 2 S、有机气体等其他气体)的释放相关 * ;地震产生的断裂有的就是含矿断裂(胡宝群等, 2009a ,b ) 。 (* 最近又有论及地震前后气候变化的新闻:科院上海天文台研究员金双根研究员称大气探测手段或可用于地震预测 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2012/5/264915.shtm 。本博主认为机理是与本博文中所论及水的行为有关。2012年5月31日)
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热液矿床水相变控矿的理论
热度 3 Michaelhu 2010-11-15 17:10
热液矿床水相变控矿的理论及相关问题的思考 --- 本理论压缩成一句话:在 100~450 ℃ (最大不超过 550 ℃ )之间水的相变线(含临界点)和拟相变线,控制着热液成矿作用。 (20101212 补充) New热液金属矿床水相变控矿机理.ppt 之所以称热液矿床,就是在其形成过程中曾有热液的参加,而这些热液主要组分是水,水是影响热液成矿作用最主要因素。对水的研究,除了要重视水的来源、不同介质之间的化学反应、地质背景及演化等因素外,水的相变及由此引起的物理化学性质突变也是透视热液成矿作用过程的窗口。 1 热液矿床水相变控矿理论及意义 水是成矿热液的主体,水的热容值通常是岩石的 4~5 倍,渗透性和流动性强,是成矿物质和能量的携带者和传递者。当水发生相变时可引起热容、水中矿质溶解度、压缩系数和膨胀系数等物理化学参数突变,特别是在临界点处二级相变时还出现“临界奇异性”,热容、压缩系数和膨胀系数等部分参数趋于无穷大,与水在非相变区理化性质的小幅度渐变区别明显,必将影响成矿物质的活化、迁移和沉淀。而水是否相变及相变种类取决于构造、岩浆活动及地温梯度等;按岩石圈正常地温线,则直接取决于断裂、皱褶和韧性剪切等降压条件是否存在。水的相变是连接微观和宏观控矿因素的纽带。水相变研究从物理化学角度揭示出成矿作用与断裂及岩浆活动等之间的内在联系,可在热液成矿作用中建立起流体系统与构造系统之间的关联,由此还可以通过热液成矿作用研究来探讨区域大地构造演化。 2 热液矿床水相变控矿理论的 3 个关键 ( 1 )水在相变区和非相变区物理化学性质的明显差异,使含水系统中成矿物质带入、带出成为可能。在气 - 液相变线(含临界点)及超临界区拟相变线上,水的热容、成矿物质在水中的溶解度、压缩系数、膨胀系数等物理化学性质明显增大、甚至临界奇异性突变,明显区别于非相变区的小幅度的渐变。在相变线(含临界点)上热容、溶解度等物理化学性质的突然增加或出现临界奇异性,这正是以水为主体的热液溶解成矿物质的时刻,而非直接成矿。因此,含水体系临近相变即“将相变而未相变”状态保持的时间越长,越利于成大矿、富矿。( 2 )出现与相变线(及临界点)温压一致的地质环境,促使成矿物质大量活化进入热液。在岩石圈中,水出现物理化学性质突变的关键是:含水体系的温度和压力同时达到相变线(含临界点)上的温度和压力。正常地温梯度、封闭的岩石圈中不出现水的物理化学性质突变。在岩石圈中降压是促成水发生相变、物理化学性质明显变化的必要条件。在脆性环境中断裂破碎带无疑是降压相对应的地质条件,在塑性环境中韧性剪切、皱褶等也可能造成局部降压。( 3 )后期局部降压使水相变而释放出成矿物质。在相变线和拟临界相变线上溶解度有极大值、随着温压对相变线的偏离、极大值快速消失。沉淀速度最大的温压点对应的就是物理化学变化的拐点。矿质及相关的脉石矿物沉淀过程将发生在溶解度等明显降低的温压区,即体系性质变成开放时矿质沉淀才发生。 3 与热液矿床水相变控矿理论相关的一些思考 仅从热液矿床水相变控矿理论角度,重新审视一些地质现象,会产生一些新思路。 ( 1 )大量热液矿床包裹体均一法测温结果显示为 100~450 ℃之间,这正对应水气 - 液相变线及超临界区拟相变线物理化学性质明显变化的温度段。热液成矿作用时间上的期次性,温度上的期次性,断裂活动的期次性,可通过水相变分析建立它们之间的联系。不少论文论及沸腾对金、铜、铀成矿的意义,应是以水为主体的流体发生一级相变而成矿。( 2 )深源成矿论的矿质来源深度大致为水的临界温度相对应的深度。岩石圈深部高温压的超临界流体不一定具有强的溶解能力,只有温压接近于临界点处的超临界水才具有很强的浸取能力。这可能是岩石圈中超临界水常有而热液矿床(特别是大而富的热液矿床)不常有、仅出现一些特殊区域(如减压环境)的根本原因。( 3 )成矿作用过程中水的来源推测相当一部分水是因地温状态和地压状态的改变,原赋存在各类岩石裂隙中及矿物中的水,被活化迁移出来。如华东南构造伸展阶段、形成断陷盆地的时期深部热物质上拱,地温梯度提高,形成一些深大断裂,热压存在的封闭条件消失,地压梯度降低,相应地各种岩石的熔点降低,矿物脱各类水的温度也将下降。这些因素使原赋存于矿物中和岩石裂隙中的水份部分脱出,有利于火山岩和侵入岩的形成,也为板内热液成矿提供水源。沿上述思路,华东南伸展期次与铀成矿期次的对应关系及成矿的脉动性可以得到较好地解释。( 4 )本理论认为油气的运移是和水在一起、或溶于水中进行迁移的。降压使水发生相变,而使油水、油气分离。与降压条件相对应的有断裂降压和褶皱降压等。油气孕育或源头可能更深、很有可能达 374 ℃左右。这或许有助于油气无机成因的认识。( 5 )斑岩型矿床成矿作用的思考:由于斑岩所处的地区地温梯度高,斑岩岩枝可以高侵位至近地表 1.1~0.7 km 的深处,使含水热体系具有临界温压值,在理论上这时的水可以溶解大量的成矿物质。且这时的水是表面张力近于零的超临界水,可在岩体的空隙中近于无阻力运动,类似于罗照华等提出 的 “ 透岩浆流体 ” 。若这种 “ 临界相变而未相变 ” 状态保持的时间越久对成大矿越有利。深部大岩基是提供大量水及成矿物源的保障,而上侵至地表的小岩株就成为一个成矿物质的 “ 聚集器 ” ,水的温度和压力临界值就是控制成矿的关键 “ 阀值 ” 。( 6 )中生代地壳减薄与热液成矿的关系:断裂产生、岩石圈破裂,即岩石圈局部的体系性质由封闭变为开放体系,热压存在的条件消失、地压梯度下降,必将影响同一压力值厚度计算的结果,进而影响矿床形成深度及岩石圈厚度演化的认识。岩石圈破坏,热压消失,矿物岩石的熔点降低,可造成岩石圈减薄的等同效应。断裂产生起到降压的效果,引发相变而与成矿作用相关。( 7 )矿种区域性分布的原因,一方面是深部基底及围岩不同所致,另外一方面还与各组分在热液发生相变时物理化学行为的差异有关。相变区和非相变区各组分溶解差异性对热液成矿作用有着重要影响,将带给人们很多成矿作用过程的信息,是下一步研究的重点。 ( 相对应的正式论文将发表于明年的 地质通报 2011年) 最新链接:科学家称地震可使黄金地壳中立即沉淀形成 http://www.jixue.cn/jyzx/dl/dlxkdt/20133/19328.html (终于有人也研究水相变成矿理论)2013补充
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周四讨论班(即将有讲稿):相变与临界现象(概述)(李文都)
GrandFT 2010-10-10 00:29
题目: 相变与临界现象(概述) 时间:2010.10.14 地点:16楼308 主讲人:李文都 一. 从物质的三态变化说起 二. 相变的分类,序参量,临界点 三. 相变的定性描述(从序参量和对称性的自发破缺的角度) 四. 相变的热力学 五. 平均场近似 六. 序参量涨落的空间关联 如果时间充足: 七. 统计模型(伊辛模型) 八. 标度律 九. 浅说一下其他相变 参考文献:Shang-keng Ma:Modern Theory of Critical Phenomena第一章Introduction 郝柏林:边缘奇迹相变与临界现象
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周四讨论班:相变(刘彤)
GrandFT 2010-4-16 16:53
周四讨论班:相变 时间:待定 下午4:30 地点:16-308 主讲:刘彤 马上庚(Shang-keng Ma):Modern Theory of Critical Phenomena ,Benjamin, Reading, 1976. 第一章:Introduction 这肯定是你能找到的最好的相变的书之一。
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谁来讲:相变
GrandFT 2010-4-14 09:24
谁来讲(周四讨论班):相变 马上庚(Shang-keng Ma):Modern Theory of Critical Phenomena ,Benjamin, Reading, 1976. 第一章:Introduction 这肯定是你能找到的最好的相变的书之一。
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关于相图与结构的猜想(2)
jizw0704 2010-1-10 11:00
在做进一步考虑和猜想之前,先来看看这种科学研究的方法类比的方法。在量子力学方面,爱因斯坦曾创立光的波粒二象性理论,在之后不久的1923年,德布罗意通过类比的方法,大胆地提出了物质波的概念,即物质也具有波粒二象性,最终证明是正确的,并获得诺贝尔物理学奖,在这里,我们也可以大胆的提出这样的猜想 相图与结构有特定的关系。 对于一种材料,假设除温度外其它条件恒定的话,我们可以通过实验和计算机模拟的手段找到这样的一个对照表,即不同温度下发生的转变类型相图结构的对照表,我们以SiO 2 为例,如下图: (转变类型) (相图) (结构) 就是说,以目前的技术手段,我们可以完成对某一种物质不同温度下的相图结构对照表,这样以来对我们的研究带来了极大的方便,也就是可以这样来看,当我们把元素周期表中的每一族中的每一种元素及其组成的主要化合物的对照表研究清楚,我们知道根据元素周期律,同族的元素会具有相似的对照形式,相邻的元素会具有相近的对照形式。把这某一种元素的对照表进一步完善每一阶段的性质,性能分析透彻,组装成册,冠之《标准对照表》,当我们需要某种性质的材料时,不需要大海捞针一样漫天找寻,只需要现在我们的对照表中找到相应的部分,便一目了然了,或者是想了解某材料具有什么样的性质或是不是具有这样的性质,也可以这样。 甚至是,我们可以编写计算机程序帮助我们完成对比,从而极大的提高了工作效率和研究的精确度(完)。 希望大家多多指教,谢谢! 吉宗威
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关于相图与结构的猜想(1)
jizw0704 2010-1-5 20:06
相变是材料科学与技术中的一个重要的组成部分,材料是多种多样的,如金属,陶瓷,电子和磁性材料,高分子材料(聚合物)和复合材料。它们在制备和使用过程中的许多感念,现象和转变都惊人地相似,诸如相变机理,缺陷行为,平衡热力学,扩散,流变和断裂机理,界面精细结构与行为等等,作为共同点之一的相变是材料中的一个重要现象,相变常常赋予材料以有用的形态和微观结构。因此相变对于通过改变组织结构以获得所需性能的加工处理以及新材料,新工艺的研究开发具有重要的实际意义。 可见相变与材料的结构是有关系的。 那么什么是相和相变呢? 相(phase)在物理化学领域内定义为系统中的任一均匀部分。所谓均匀部分是指化学成分,结构和性能相同的部分,材料中有各种各样的相,如纯组元,固溶体,化合物等,绝大多数材料是多相的,相与相之间以界面分隔,称为相界面,相的种类,形状,大小与分布的总和构成组织。 而相变是指相与相之间的转变,或者说是母相到新相的变化过程。一般的相变过程包括三方面的变化:(1)晶体结构的变化(包括原子、离子或电子位置和位向改变);(2)化学成分的变化;(3)某种物理性质的跃变(或有序程序的变化,包括原子的配位,电子结构的变化),在这三个变化中,只要发生了一种变化,就可以认为发生了相变。 另外,还有一种广义上的相变,它和一般相变的区别在于把组织形体的变化归为相变。 我们再看看相变的分类,其种类很多,常见的分类方法是根据热力学把相变分为一级、二级及高级相变,当我们注意到对于陶瓷学家来说,他们通常还按照结构的变化分为重构型相变和位移型相变,相变是在不伴随有离子长程扩散的情况下发生的,见下图: 这样,我们又可以看见相变与材料的结构变化是有关系的。 那么好了,现在大家已经承认了两个事实,第一个,相变与材料的结构有关系;第二个,相变与材料的结构变化有关系。这两个事实和我们讨论的问题有什么关系呢?再让我们一起看看相图吧,相图,也称相态图、相平衡状态图,是用来表示相平衡系统的组成与一些参数(如温度、压力)之间关系的一种图。它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。 原来相图是和相变密切联系在一起的,是不是说明相图和结构也有上述的联系呢?(待续) 吉宗威
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相变增韧
likesun 2009-1-4 21:53
ZrO 2 从高温液相冷却到室温的过程中将发生如下相变:液相( L )立方相( c )正方相( t )单斜相( m )。其中 t m (属于马氏体相变)转变时将产生约 5% 的体积膨胀。将 ZrO 2 t m 相变 Ms 点稳定到比室温稍低,而 Md 点比室温高,使其在承载时由应力诱发产生 t m 相变,由于相变产生的体积效应和形状效应而吸收大量的能量,从而表现出异常高的韧性,这就是二氧化锆 ZrO 2 相变增韧。
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