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宏观热力学与微观热力学的吻合是巧合吗?

已有 2553 次阅读 2015-2-4 06:36 |系统分类:科研笔记|关键词:水,蒸汽,凝结,潜热,红外,辐射,光子| 红外, 辐射, 蒸汽, 凝结, 潜热

水的热力学性质一直是我的研究兴趣。

在稍早前的一篇文章里,谈到了基于实验验证的关于水的微观热力学数据,得出了一个结论:在常温水蒸气凝结过程中,平均每个水分子摊到0.4电子伏特的红外光子辐射能量。详情见:气液相变的分子动力学一瞥

至于宏观的热力学数据,可以从很多来源查找,例如美国标准技术学院的官方网站:http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/

常温常压下水的凝结潜热 = 2402.3 - 83.9 = 2318kj/kg。

其实,有了上述宏观尺度的数据,理论上可以用数学的方法演算出微观尺度的对应数据。

方法如下:

先求1kg的水有多少个水分子H2O。既可以用涉及摩尔概念的阿伏加德罗常数,也可以从原子量硬计算。

每个水分子的质量=分子量18个原子量单位。每个原子量单位对应1.66*10^(-27)kg,基本上相当于一个质子或中子的质量。

So,1kg水大约含有水分子数目= 1/(18*1.66*10^(-27))= 3.35*10^25 个H2O。

Then,每个水分子摊到的凝结潜热= 2318*1000/3.35*10^25= 6.92*10^(-20)J(焦耳)。

已知1个电子伏特1eV = 1.6*10^(-19)J。

因而每个水分子可摊到的潜热=6.92*10^(-20)/1.6*10^(-19)= 0.43eV。

回过头看看实验测到的微观热力学数据0.4eV/每H2O,不得不惊呼两者惊人地接近!

我们再来计算,如果观测得到的单水分子释放的能量0.4eV,最终来源于一个光子的话,这个光子的波长该是多少呢?

早在1900年,M.普朗克解释黑体辐射能量分布时作出量子假设,物质振子与辐射之间的能量交换是不连续的,一份一份的,每一份的能量为E = hν。其中h为普朗克常量,v为光振子频率=光速c/波长。

所以,要求的波长= hc/E。

已知h=6.6260693×10^(-34)J·s, c=3*10^8m/s.

代入公式得到波长 = 6.63*10^(-34)* 3*10^8/(0.4eV*1.6*10^(-19)J/eV)

=3.1*10^(-6)m, 即3.1微米,或者说波数3226cm^(-1)。该波长处于近红外谱线。

凝结光子发射谱分析的实验结果,基本应证了计算结果!可见凝结潜热的释放渠道,只能是红外光子。通常的热工设备中看不到这些光子,是因为多介质换热时光子刚出来立即就地吸收,就像电路短路时测不到电压那样。因而,宏观与微观的吻合绝不是巧合!

早在1968年,两位科学家W.R. Potter, J.G. Hoffman,就已经在实验室发现了物质相变过程伴随着红外光子的辐射。从其发表的论文数据来看,水蒸气凝结红外辐射的均方根光子波长也在3.1微米左右,多了一个旁证。详情及参考文献可参阅我的另一篇文章:凝结过程竟然伴随着红外光子的辐射!

此文也预示:未来的热物理的发展方向,必将是热力学与光学的紧密结合。只懂传统热力学的人士也许会发现无所适从,而感叹不补修光学则以前的热力学就白学了。

顺便说一句:善于从已知的宏观尺度,推演到微观尺度,或者反过来,从微观反演宏观,这是研究人员的基本技能。早先的一篇文章正是这样的例子:尺度变换诱发的想象力聚焦水分子蒸发的精细过程




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3 陈楷翰 赵建民 daxigo

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