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空和无的物理学——以光子气体的化学势为例
热度 20 qhliu 2015-5-22 08:17
缘起:最近化学势数次进入视线 之一, 科学网名博 肖重发兄 答应接受 “ 2015 年全国热统年会 ” 邀请,将莅临会议并做大会报告 “ 浅谈 化学势 ” 。 之二, 里昂高师董玮教授是湖南大学校友,是湖南大学物理学科第一位博士的导师 ( 我是国内合作导师 ) 。他将来会议做邀请报告, “ Chemical Potential: First-principle calculation, Scaled particle theory, etc.” 之三 , American Journal of Physics 2015 第 4 期,专门有文章 讨论光子气体的 粒子数涨落,这个 问题 化学势 密切 相关 。该文章浓缩成为一句话就是:如果一个量 ( 例如说光子气体的化学势 ) 为零,那么这个量的倒数不能认为是无限大,而可能是根本就不存在。 顺便一说 , “ 2015 年全国热统年会 ” 报名在 6 月 1 日截止,以后的报名者只能安排学校附近宾馆。 一, 空和无的定义,光子气体粒子数涨落问题 空:“本来无一物,何处惹尘埃”; 无:“天街小雨润如酥,草色遥看近却无”。 空是没有定义,而无是某个有定义的量数值上为零。 空是不存在,而无是有的极限。 空是质的飞跃,而无是量的可以忽略。 那么,平衡热辐射场 ( 或者说平衡态的光子气体 ) 的化学势是零呢还是不能定义呢 ? 如果定义了化学势,由于数值上趋于零,会导致荒谬的结果。而这个荒谬的结果就出现在名著: Pathria 《 StatisticalMechanics 》 (2nd ed. p.101, p.172) 中, 这段话说,由于这一公式,光子气体中粒子数的涨落是无限大。可是,仔细计算这一 涨落值(参见第二部分: 统计力学中的一个普遍关系:自由能凸性公式 ),会发现这个值其实有限! 这是一个好题材,买点私货是必须的。 -------- 私货之一:什么是情感上的空 ?-------- 陈词滥调的故事有时也有很强的生命力。看过一遍,没齿不忘。 说一位年青的战士战死疆场,他的恋人坚持将尸体运回家乡安葬。然后在墓碑上刻上如下一行字: ( 翻译:对这个世界来说,你不过是一员。但是对我来说,你就是整个世界。 ) 对这位恋人来说,在这个人之外,世界没有定义。 在一个没有定义的世界中,如何定义自我 ? 自我已经死去 ! 哀痛得不能苟活。 在香港九龙城南边,有一座小山。很大的基督教墓地,门口有两条壮硕的黑狗。 而如果想听听死亡的声音,想体会一下空的境界。墓地无疑是最好的地方。 15 年前。阳光惨淡,树高叶密。清风时有时无,在墓碑间,在脚边。偶尔,疾风会突然升腾,窜进山边的树叶中。 被风鼓着,随机游走!直到看见一个小小的墓,里面埋葬着一个幼儿。墓碑上一行简陋的字: “ 爱儿以诺之墓 ” 顿时眩晕, … 。 想到人世间最美好的夫妻关系,无非神仙眷属,也就是一个封闭的世界。这个世界之外,没有定义,也就是空。 看见市井之间的夫妻,很多话题涉及隔别老王 ( 的老婆 ) 如何今天股市风光几何,反衬家庭中的对方一无是处。这就不仅仅定义了一个外面的世界,而是还想努力地把对方推到这个世界中。 人世间多少烦扰,全在参不透空空如也。 -------- 私货之一完 -------- 二,统计力学中的一个普遍关系:自由能凸性公式 把热力学基本方程dU=TdS-pdV的形式变一变,写成如下无量纲的形式: 如果 ,那么 ;如果 , 那么 。统计力学中有一个普遍关系称之为自由能凸性公式,表达式如下: 文章开头的那个公式,不过是自由能凸性在 , ; 时的体现,当然需要一点推导。这个推导参见任何一本教科书。 如果光子气体可以定义化学势的话,那么必然有这个公式。而如果化学势趋于零的话,又必然导致 Pathria 的那个荒谬的结论。荒谬 ? 是的!请看习题。 光子气体的粒子数的涨落是一个非常明确的、漂亮的结果。 如果光子气体可以定义化学势的话,自由能凸性公式给出的结果是,光子气体粒子数的相对涨落为无穷 ! 统计物理学中,光子气体的压强仅仅是温度的函数,和体积无关。所以, 自由能凸性公式的左边不等于右边。 如果根本就不定义化学势,也就不能利用自由能凸性公式,也就不存在这个等温压缩系数了。 三,空和无:实际和理论上的差别 实际上,光子气体的化学势时可以定义的,但是数值小得完全可以忽略不计。注意,非平衡光子气体的化学势非零。 理论上,如果对光子气体定义了化学势,不如根本就不引进这个概念好。 一个安全的处理方案是, 一切涉及空和无的时候,不要放到原来的理论框架中处理,而要单独研究。 -------- 私货之二:海边的维纳斯 -------- 初春的时候,在西欧的一个海边住了 20 天。 不期而遇的不仅仅有日食,还有海边的维纳斯。 在海边,看见过太多的赤裸少女。但是,那都是在夏秋季节。而这一次,海边还在飘雪!无论男女,身材都棒极了。看见维纳斯了吗 ? 这张照片的角度最好!一些角度不好的照片就只能自己欣赏了。 看见过很多次未婚的男女赤裸游戏的场面。觉得他们相互欣赏酮体,应该和看见大卫或者维纳斯那样。没有东方人那样立即出现血脉喷张的感觉。也见过 他们开放起来的样子,程度就不是东方人可以理解的了! -------- 私货之二完 --------
个人分类: 大学教育|19139 次阅读|26 个评论
有关构形力的专著、论文集、综述以及研究论文
热度 2 潘夏辉 2010-3-9 15:32
“构形力”(configurational force)是经典“变形力”(deformational force)概念的拓展,另外一种常见的叫法是“材料力”(material force),有时也叫“化学力”(chemical force)、“增殖力”(accretive force)或“组分力”(compositional force)等,术语上的多变从侧面反应了“构形力学”(configurational mechanics)新兴交叉学科的特点。J. D. Eshelby在1951年的经典论文“The force on an elastic singularity”( Phil. Trans. R. Soc. Lond. A , Vol.244, pp.87-112 )中提出“缺陷上的力”的构想,开创了构形力学研究的先河,更早地,构形力学的思想可以追溯到1891年Burton在 Philosophical Magazine (Vol.33, pp.191-204)上的一篇论文,其中提到了“局部重构”(local structural rearrangement)的概念。晶体中位错线上的Peach-Koehler力、断裂力学中的J-积分等同构形力都有着密切的联系。构形力学中的基本物理量是Eshelby能动量张量,或简称为Eshelby张量、Eshelby应力张量。以下所列是同构形力、能动量张量、化学势、固体热力学等方面相关的一小部分文献,随着视野的深入,将不断增添新的条目...... Monographs: Maugin, G. A., Material Inhomogeneities in Elasticity , Chapman Hall, 1993 Kienzler, R., Herrmann, G., Mechanics in Material Space: with Applications to Defect and Fracture Mechanics , Springer, 2000 Gurtin, M. E., Configurational Forces as Basic Concepts of Continuum Physics , Springer-Verlag New York, Inc., 2000 Grinfeld, M., Thermodynamic Methods in the Theory of Heterogeneous Systems , Longman Scientific Technical, 1991 Epstein, M., Elzanowski, M., Material Inhomogeneities and Their Evolution: A Geometric Approach , Springer-Verlag, 2007 Wilmanski, K., Continuum Thermodynamics Part I: Foundations , World Scientific, 2008 Epstein, M., The Geometrical Language of Continuum Mechanics, Cambridge University Press, 2010 Maugin, G. A., Configurational Forces: Thermomechanics, Physics, Mathematics, and Numerics, CRC Press, 2011 Conference Proceedings: Steinmann, P., Maugin, G. A., eds., Mechanics of Material Forces , Springer, 2005 Dascalu, C., Maugin, G. A., Stolz, C., eds., Defect and Material Mechanics , Springer, 2008 Reviews: Maugin, G. A., Material forces: Concepts and applications, Appl. Mech. Rev. , Vol.48, pp.213-245, 1995 Gross, D., Kolling, S., Mueller, R., Schmidt, I., Configurational forces and their application in solid mechanics, Eur. J. Mech. A-Solids , Vol.22, pp.669-692, 2003 Steinmann, P., Scherer, M., Denzer, R., Secret and joy of configurational mechanics: From foundations in continuum mechanics to applications in computational mechanics, Z. Angew. Math. Mech. , Vol.89, pp.614-630, 2009 Research Articles: Eshelby, J. D., The force on an elastic singularity, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A , Vol.244, pp.87-112, 1951 Eshelby, J. D., Energy relations and the energy-momentum tensor in continuum mechanics, In: Kannien, M. F., eds., Inelastic Behavior of Solids , pp.77-144, New York: McGraw-Hill, 1970 Eshelby, J. D., The elastic energy-momentum tensor, J. Elasticity , Vol.5, pp.321-335, 1975 Chadwick, P., Applications of an energy-momentum tensor in non-linear elastostatics, J. Elasticity , Vol.5, pp.249-258, 1975 Larche, F. C., Cahn, J. W., The interactions of composition and stress in crystalline solids, Acta Metall. , Vol.33, pp.331-357, 1985 Heidug, W., Lehner, F. K., Thermodynamics of coherent phase transformations in nonhydrostatically stressed solids, Pure Appl. Geophys. , Vol.123, pp.91-98, 1985 Epstein, M., Maugin, G. A., The energy-momentum tensor and material uniformity in finite elasticity, Acta Mech. , Vol.83, pp.127-133, 1990 Bartholomeusz, B. J., The chemical potential at the surface of a non-hydrostatically stressed, defect-free solid, Phil. Mag. A , Vol.71, pp.489-495, 1995 Samohyl, I., Pabst, W., The Eshelby relation in mixtures, Int. J. Non-Linear Mech. , Vol.32, pp.227-233, 1997 Norris, A. N., The energy of a growing elastic surface, Int. J. Solids Struct. , Vol.35, pp.5237-5252, 1998 Samohyl, I., Thermodynamics of reacting mixtures of any symmetry with heat conduction, diffusion and viscosity, Arch. Rat. Mech. Anal. , Vol.147, pp.1-45, 1999 Cleja-Tigoiu, S., Maugin, G. A., Eshelby's stress tensors in finite elastoplasticity, Acta Mech. , Vol.139, pp.231-249, 2000 Podio-Guidugli, P., Configurational balances via variational arguments, Interfaces and Free Boundaries , Vol.3, pp.223-232, 2001 Wu, C. H., The role of Eshelby stress in composition-generated and stress-assisted diffusion, J. Mech. Phys. Solids , Vol.49, pp.1771-1794, 2001 Wu, C. H., Chemical potential and energy momentum tensor in single phase mixtures, Mech. Res. Commun. , Vol.29, pp.493-499, 2002 Maugin, G. A., Remarks on the Eshelbian thermomechanics of materials, Mech. Res. Commun. , Vol.29, pp.537-542, 2002 Kalpakides, V. K., Dascalu, C., On the configurational force balance in thermomechanics, Proc. R. Soc. Lond. A , Vol.458, pp.3023-3039, 2002 Steinmann, P., On spatial and material settings of hyperelastodynamics, Acta Mech. , Vol.156, pp.193-218, 2002 Steinmann, P., On spatial and material settings of hyperelastostatic crystal defects, J. Mech. Phys. Solids , Vol.50, pp.1743-1766, 2002 Steinmann, P., On spatial and material settings of thermo-hyperelastodynamics, J. Elasticity , Vol.66, pp.109-157, 2002 Buratti, G., Huo, Y. Z., Muller, I., Eshelby tensor as a tensor of free enthalpy, J. Elasticity , Vol.72, pp.31-42, 2003 Guzev, M. A., Chemical potential tensor for a two-phase continuous medium model, J. Appl. Mech. Tech. Phys. , Vol.46, pp.315-323, 2005 Epstein, M., Configurational balance and entropy sinks, Int. J. Fract. , Vol.147, pp.35-43, 2007 Gupta, A., Markenscoff, X., Configurational forces as dissipative mechanisms: a revisit, C. R. Mecanique , Vol.336, pp.126-131, 2008 Runesson, K., Larsson, F., Steinmann, P., On energetic changes due to configurational motion of standard continua, Int. J. Solids Struct. , Vol.46, pp.1464-1475, 2009 Ganghoffer, J. F., Mechanical modeling of growth considering domain variation Part II: volumetric and surface growth involving Eshelby tensors, J. Mech. Phys. Solids , Vol.58, pp.1434-1459, 2010 Grabovsky, Y., Truskinovsky, L., Roughening instability of broken extremals, Arch. Rat. Mech. Anal. , Vol.200, pp.183-202, 2010
个人分类: 科研笔记|8798 次阅读|7 个评论
专题讨论班:化学势
grandft 2010-1-15 15:58
题目:化学势 时间:2010.1.22. 下午2:30 地点:16楼308(308装上新黑板了) 主讲:庞海 摘要: The definition of the fundamental quantity, the chemical potential, is badly confused in the literature: there are at least three distinct definitions in various books and papers. While they all give the same result in the thermodynamic limit, major differences between them can occur for finite systems, in anomalous cases even for finite systems as large as a cm3. We resolve the situation by arguing that the chemical potential defined as the symbol conventionally appearing in the grand canonical density operator is the uniquely correct definition valid for all finite systems, the grand canonical ensemble being the only one of the various ensembles usually discussed (microcanonical, canonical, Gibbs, grand canonical) that is appropriate for statistical thermodynamics, whenever the chemical potential is physically relevant. The zero-temperature limit of this was derived by Perdew et al. for finite systems involving electrons, generally allowing for electron-electron interactions; we extend this derivation and, for semiconductors, we also consider the zero-T limit taken after the thermodynamic limit. The enormous finite size corrections (in macroscopic samples, e.g. 1 cm3) for one rather common definition of the c.p., found recently by Shegelski within the standard effective mass model of an ideal intrinsic semiconductor, are discussed. Also, two very-small-system examples are given, including a quantum dot. 参考文献 : T. A. Kaplan, The Chemical Potential, Journal of statistical physics, 122 (6) : 1237-1260(2006).
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