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量子气体热力学循环性能的研究

毛之远  
【摘要】: 量子热力学是现代热力学的一个热点问题,主要研究各种量子系统为工质的热力学循环的性能。20世纪后期,一些学者将热力学研究延伸到以量子系统为工质的热力学循环系统中去,得到了一些不同于经典热力学循环的有意义的结果。近年来,量子热力学取得了长足发展。量子气体热力学循环性能的研究对于低温情况下的热力学循环,特别是对于超低温制冷循环的研究具有重要的理论指导意义。 量子热力学主要涉及以量子体系(如:谐振子体系和自旋体系等)为工质的热力学循环和以量子气体为工质的热力学循环。本论文主要研究以量子气体为工质的热力学循环的性能。 第二章简要地介绍了量子热力学的产生和发展及研究现状。 第三章探讨了几种以量子气体为工质的不可逆热力学循环的性能特征。根据量子气体的热力学性质和状态方程,导出量子气体的内能、熵、等容热容量和等压热容量等热力学量的表达式,进而分析不可逆卡诺循环,奥托循环和布雷顿循环的输出功和效率等性能参数。分析了量子气体的简并性对循环的性能的影响,阐明了以玻色气体为工质的不可逆奥托循环和布雷顿循环的输出功与效率均大于以经典气体为工质的不可逆奥托循环和布雷顿循环的输出功与效率,以费米气体为工质的不可逆奥托循环和布雷顿循环的输出功与效率均小于以经典气体为工质的不可逆奥托循环和布雷顿循环的输出功与效率。 第四章研究了回热式不可逆奥托制冷循环和回热式斯特林热机循环的性能。基于量子气体的热力学性质和状态方程,本章分析了量子气体奥托循环和斯特林循环的回热特征。结果表明量子气体斯特林热机不具备理想回热条件,其效率低于经典气体斯特林热机的效率,循环的体积比对循环性能有重要影响。量子气体奥托制冷循环具备理想回热条件,以量子气体为工质的回热式不可逆奥托制冷循环的制冷系数总是小于以经典气体为工质的回热式不可逆奥托制冷循环的制冷系数,但是不可逆玻色气体奥托制冷循环的制冷量大于经典气体奥托制冷循环的制冷量,而不可逆费米气体奥托制冷循环的制冷量小于经典气体奥托制冷循环的制冷量。


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