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热力学中一道“伟大的习题” 精选

已有 7973 次阅读 2018-10-10 10:30 |个人分类:大学教育|系统分类:教学心得| 物理, 热力学

有一次开会,校长提到他参观清华大学物理系时看到过一个物理演示实验。在一个管子里放几缕棉花,然后一拍管口,棉花就点着了。这在热力学中,是如下一道习题的扩展版本。

取自林宗涵《热力学与统计物理》第一章习题8. 也可参见汪志诚《热力学统计物理》第一章习题7。

这道题目由来已久,几乎被海内外所有所有热力学教材收为习题。在海外知名物理学网站上,还被评价为一道"伟大的习题"(a great question). 

一道习题堪称伟大,必须同时满足三个条件:1,本身必须老妪能解,而且在一些情况下可以得到解析结果;2,内涵要么相当深刻,或者应用非常广泛;3,可以拓展,即可以从许多不同角度、不同深度去挖掘。其中的一个挖掘是:不是气体不是自由冲入,而是很快地压缩进来,情况就是校长见过的样子。

fire.jpg

(图片取自网络。特此致谢)

有人说,这不过是给自行车打气时,气管发热的现象的一种极端情况。是!的确如此,不过给自行车大气的时候,大概不会想到气管发热能到400度的温度。棉花的燃点大约400度。

从实用的角度想,这就是柴油机汽车中的心脏--压缩机--的工作原理:通过压缩空气点燃柴油,柴油“爆炸”推动压缩机工作。

可以这样想,空气冲入的小孔非常小,以至于分子只能通过泻流而进来。由于泻流时,外界的气体并不会把空气压缩进空匣,当空气进入空匣后温度能否升高?

......


(博主上课中  学生偷拍)



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