【聲子理論揭示了液體熱力學】

明道

【聲子理論揭示了液體熱力學】

 

聲子的理論描述的範圍內，不同的液體

物理學家在英國和俄羅斯已經恢復了在20世紀40年代首先提出的概念，開發一個新的理論，液體的熱容量。

迪馬Bolmatov和克斯特亞Trachenko大學瑪麗皇后學院，倫敦和Vadim Brazhkin的高壓物理研究所在莫斯科的創建者，新的“聲子液體熱力學理論”已經成功地預測了21種不同的液體從金屬到熱容量高貴和分子液體。

研究人員說，這一理論涵蓋了經典和量子制度，並同意在很寬的溫度和壓力範圍內與實驗。

儘管物理學家們有一個良好的理論認識固體和氣體的熱容量，液體的熱容量的一般理論始終難以捉摸。

除了是一個尷尬的洞，我們的知識，凝聚態物理，熱容量 - 所需的熱量來改變物質的溫度一定量 - 是一個技術相關的數量，這將是很好的能夠預測。

Bolmatov說，物理學家一直不願意制定一個理論，因為在液體中的相互作用有關都很強，液體，其中，有人認為，將使它棘手發展的一般方法計算液體的熱容量和具體。

經典和量子覆蓋

利用聲子 - 量化樣顆粒的晶格振動行為 - 比熱是發展的理論在世界上沒有什麼新的固體。

畢竟，在一個堅實的原子的晶格振盪固定點，這意味著熱的唯一途徑 - 在隨機振動原子的形式 - 可以通過材料的移動是通過聲子。

事實上，阿爾伯特·愛因斯坦和彼得·德拜著名的開發早在20世紀的獨立的理論來解釋高溫和低溫固體熱容，分別。

但是，由於在液體中的原子是可以自由移動，因此可以吸收或轉移熱量無需任何聲子，它是不是在第一眼明顯，為什麼聲子應該是一個很好的方式描述如何熱量傳遞，並在吸收液體。

任何人扣籃他們的頭在水中的人都知道，聲音在液體中傳播非常好 - 在縱向聲子的形式。

這是不顯著的，雖然是無論是橫向或“剪切”聲子，固體中存在，也可能會發生在液體。

因為每個聲子模式的比熱，這是非常重要的是知道多少模式還發生在液體。

弗蘭克爾頻率

解決這個問題，首先在20世紀40年代由俄羅斯物理學家雅科夫法蘭克。

他指出，高於一定頻率的振動（弗蘭克爾頻率），在液體中的分子像那些在一個堅實的 - 因此可以支持剪切聲子。

他的想法是，它需要的時間，以在液體中從一個平衡位置移動到另一個原子或分子的特徵量。

作為該振動的週期，只要超過這個時間短，分子振動，就好像它們被固定在一個固體。

考慮到這一點，Bolmatov和他的同事們推導出其溫度和三個參數 - 液體的液體的能量的膨脹係數，其Debye和弗倫凱爾的頻率的表達式。

德拜頻率是在液體中的原子或分子的理論最高頻率振盪，可以是來自於液體中的聲音的速度。

把一個下界該弗倫凱爾頻率上的原子或分子的振盪頻率可以是來自於液體的粘度和剪切模量。

同意的數據

其結果是作為溫度的函數，可以與實驗數據相比較的比熱的表達式。

在所有21個液體研究，理論能夠重現觀測到溫度升高的熱容量下降。

的物理學家解釋這種下降，作為溫度的函數在弗倫凱爾頻率增加。

隨著材料變得更熱，有更少的剪切聲子模式可供輸送熱量，因此散熱能力下降。

理論能夠描述簡單的液體 - 如高貴的液體，其中包括原子 - 通過複雜的分子如硫化氫，甲烷和水的液體。

物理學家說，這個廣泛的協議表明，弗蘭克爾聲子液體特徵時間取決於原來的提議適用於範圍廣泛的材料。

其結果是，的物理學家應該能夠預測許多液體的比熱容，而無需擔心複雜的成分的原子或分子之間的相互作用。

Bolmatov告訴physicsworld.com，有兩個原因，為什麼花了這麼長的弗蘭克爾的觀點被應用到熱容量。

首先，它花了50年，到驗證弗倫凱爾的預測，他說。

第二個原因是，歷史上的液體的熱力學理論，從理論的氣體，而不是固體的理論發展-儘管液體和固體之間的相似性。

這種發展有一定的慣性，與它相關的，因而導致了一些延誤，並建議弗蘭克爾的想法可以被翻譯成一個一致的液體熱力學理論需要更多的思考。

這項工作是描述在科學報告 2 421。

作者簡介

麥約翰斯頓是physicsworld.com主編

 

引用：http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/jun/13/phonon-theory-sheds-light-on-liquid-thermodynamics