《张朝阳的物理课》带你理解热力学基本定律( 三 ) 本文转自：北青网2月25日19时

张朝阳举了个有趣的例子来描述卡诺循环。先取温度为T1的理想气体，放到带有活塞的气缸里，将气缸放入温度同样为T1的大湖里，把理想气体从深水区缓慢上浮到浅水区，理想气体压强减小体积膨胀，但因为一直泡在大湖里，其温度恒定为T1 ，这就是一个等温膨胀过程。由理想气体状态方程pV=NkT ，可以在相图中画出对应的变化曲线，标记为T1 。
接着把理想气体拿出湖，并且不跟外界任何其他物体接触，而只用一个很尖的东西去抵住活塞提供压力，这样导热就非常差，然后缓慢减小压强使气体继续膨胀，直到温度下降为T2为止。这个过程因为气体与外界没有热交换，所以是绝热膨胀过程，根据刚刚推导出来的绝热公式， γ大于1 ，压强会随体积的增大而下降，且比T1恒温膨胀时下降得更快。反映到相图上，绝热膨胀过程就是右边那条连接等温线T1与T2的曲线。接着把温度为T2的理想气体放到另一个温度为T2的湖里，并往深处走使得压强缓慢增大，对气体进行温度为T2的等温压缩，对应图中T2的等温曲线。
他继续推导说，最后一步，把气体取出湖进行绝热压缩，回到最初状态，这就实现一个完整的循环，该过程称为卡诺循环。对应于相图里加粗的闭合曲线。由外界对理想气体的做功公式?W=-pdV ，可知闭合圈中的面积就是这个过程中理想气体对外做的总的正功。由热力学第二定律，还可以知道理想气体总体吸收了外界的热量。

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（张朝阳介绍卡诺循环及其相图）
作为热力学的一个应用实例，张朝阳基于绝热公式，再次推导了声速，并强调用等温过程是错误的且不能与实验符合，因为声波在空气中传播时，空气振动得很快，气体来不及进行充分的热交换，所以须按绝热过程处理，才更与实际接近，从而计算得到正确的声速。
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截至目前，《张朝阳的物理课》已直播三十多期。张朝阳先是从经典物理学开始，科普了牛顿运动定律与能量动量守恒；讲解机械振动与波动方程并计算空气中的声速，顺便讨论与此相关的理想气体状态方程和能量均分定理。尔后从经典物理的“两朵乌云”说起，向近现代物理过渡，包括由黑体辐射研究引出的维恩、瑞利-金斯、斯特潘、普朗克等系列公式；由电磁学和时空性质引发的相对论议题，如洛伦兹变换、尺缩钟慢、质能关系、粒子衰变等。
此后逐步进入量子力学领域，从基础的薛定谔方程、算符对易关系、不确定性原理等理论内容，到无限深势阱、氢原子波函数、原子能级与简并等基础模型，再到谐振子量子化、分子振转光谱、自由度的冻结、气体定容比热的温度阶梯等更加具体实用的案例。内容丰富、覆盖广泛，理论公式由浅入深、繁简交融，研究对象由小到大、由少到多，从单电子原子到多电子原子、多原子分子，再到由众多粒子组成的宏观物质，实际上已经逐渐进入到统计物理学领域。接下来的玻尔兹曼分布、麦克斯韦速度分布律等，也就顺势引入，顺理成章。
从近三十期的物理课可以看出，《张朝阳的物理课》的直播风格独树一帜——通过观察日常生活现象、用网友比较熟悉的话题来提升兴趣，再以公式推导的方式解释其背后的物理原理， “透过现象看本质” ，进而反过来解决生活中的类似问题。