光辉的道路(十六)绝对温标和超导现象.ppt

物理简史（十六） 威廉·汤姆逊生于1824年爱尔兰，父亲占姆士是贝尔法斯特皇家学院的数学教授。汤姆逊一家在威廉八岁时迁往苏格兰的格拉斯哥，而占姆士则任教格拉斯哥大学。汤姆逊十岁便入读格拉斯哥大学 （你不必惊讶，在那个时代，爱尔兰的大学会取录最有才华的小学生），约在十四岁开始学习大学程度的课程。十五岁时凭一篇题为「地球形状」的文章获得大学的金奖章。文章论及的一些重要概念，汤姆逊在往后还常常用到。汤姆逊后来到了剑桥大学升学，以全级第二名的成绩毕业。他毕业后到了巴黎，在勒尼奥的指导下进行了一年实验研究 早在1787年法国物理学家查理（J.Charles）就发现，在压力一定时，温度每升高1℃，一定量气体的体积的增加值（膨胀率）是一个定值，体积膨胀率与温度呈线性关系 起初的实验得出该定值为气体在0℃时的体积的1/269，后来经许多人历经几十年的实验修正，其中特别是1802年法国人盖·吕萨克（J.L.Gay-Lussac）的工作，最后确定该值1/273.15。将上述气体体积与温度的关系用公式来表示，形式如下： V=V0（1+t/273.15）=V0（t+273.15）/273.15 式中V是摄氏温度为t/℃时的气体体积。若定义t+273.15≡T（于是0℃+273.15=T0）,上述关系就可以用形式更简单的公式来表达：V/T=V0/T0，进一步看，V1/T1=V0/T0，V2/T2=V0/T0，自然有V1/T1=V2/T2，即在任何温度下一定量的气体，在压力一定时，气体的体积V与用T为温标表示的温度成反比。这叫做查理-盖·吕萨克定律。事实上这种关系只适用于理想气体。为此，人们起先把T称为理想气体温度（温标），又叫绝对温度（温标）。在热力学形成后，发现该温标有更深刻的物理意义，特别是克劳修斯（Claosius）和开尔文（Kelvin）论证了绝对零度不可达到，便改称热力学温度（温标），并用Kelvin第一个字母K为其单位。 热力学第一定律 在热力学中，系统发生变化时，设与环境之间交换的热为Q，与环境交换的功为W，可得热力学能（亦称内能）的变化为 ΔU = Q+ W 或ΔU=Q-W（目前通用这两种说法，以前一种用的多），为了避免混淆，物理中普遍使用第一种，而化学中通常是说系统对外做功，故会用后一种。 超导现象 1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林—昂内斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。 超导的主要应用 超导磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。 超导的主要应用 超导计算机 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。 超导的主要应用 核聚变反应堆“磁封闭体” 核聚变反应时，内部温度高达1亿~2亿摄氏度，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。