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高温高压下固体物态方程与非谐性质的唯象研究

崔光磊  
【摘要】: 物态方程(EOS)的研究是基础科学和应用科学中非常重要的领域. EOS狭义上来说就是平衡态物质系统的状态参量压强P、体积V和温度T之间的关系式;有时还将内能E(V,T)包括在内,并将P=P(V,T)称压强方程,E =E(V,T)称能量方程.热力学理论指出, 有了这两个方程物质系统的热力学性质就全部知道了,这也正是EOS研究的重要意义所在. 所以广义上说,EOS理论也就是关于物质系统热力学性质的理论. 本文采用唯象的方法对高温高压下固态物质系统的EOS及相关的非简谐热力学性质(非谐性质)作出了系统地研究. 前言部分简要地介绍了本文研究工作的缘起、目的和范围,EOS研究的发展简史及其应用学科范围,文中所采用的研究方法和手段以及论文的理论意义和实用价值。 第一章, 给出了物态方程的基本理论概要,总结了EOS研究中最常用的热力学理论和唯象关系式以及有限应变理论,并从固体理论角度给出了固体物态方程的一般形式P =Pc+Pn, 分析了固体压缩的微观机理——原子间相互作用势,由此导出了几种不同形式的冷能和冷压。 第二章, 在综述了三类典型EOS(等温EOS P=P(V)、等压EOS V=V(T)和完全EOS P=P(V,T))的基础上,做了以下几方面工作:①由高温修正SP EOS得到一个P=P(V,T)关系式,即完全EOS,应用于不同温度压强下的Au, NaCl和CsCl三种物质实验数据,计算结果和实验结果吻合很好;②用19种物质的实验数据对几个常用EOS(Tait EOS,Birch EOS和Vinet EOS)的普适性进行了进一步检验;③几类EOS之间关系的研究则表明在一定压强范围内(压缩比V/V00.8),SP、FI、Tait和Murnaghan这四个EOS描述固体行为是一致的;④最后在陈和Vinet的启发下改进Vinet方程得到新的三参数EOS,通过七种物质实验数据的检验表明,新的方程优于Vient方程,具有良好的实用性。 第三章, 对三个非谐性质——体积弹性模量、Gruneisen参数、热膨胀系数及其高阶量。在分析大量实验数据的基础上,提出了关于这三个非谐性质对体积压强依赖性的新计算模型和公式,即(V,P)、(V,P)、(V,P),和实验数据相比表明,新的计算公式得到的结果和实验吻合很好,均在不同程度上改进了前人的工作,具有 WP=7 较好的实用价值。 总而言之,本文围绕高温高压下固体的EOS,对EOS的形式及非谐性质研究作出了有益的探讨,为固态物质系统行为的理论预测提供一些新的视角。当然,本文研究工作的结果要在一定的宏观条件下才能适用,并不是无条件普适的,因此就此进一步开展工作将是十分有意义的,结束语中指出了对EOS及非谐性质的研究我们认为值得继续探讨的课题。


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