一维晶格体系热传导的研究

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从微观的、确定性的动力学方程来理解宏观的、不可逆的热力学现象是非平衡统计物理一项长期而又艰巨的任务。上世纪80年代以来,随着计算机技术的飞速发展,计算物理很快崛起成为物理学中一个非常重要的研究方向。现在,人们已经可以利用分子动力学方法研究由数以万计粒子组成的相互作用多粒子体系的动力学行为了。利用平衡和非平衡分子动力学方法研究一维体系热传导性质一直以来是人们非常关注的一个研究课题。傅立叶热传导定律指出:体系中传导的热流量与温度梯度成正比,其比例系数称为热导率,它由材料本身的特性所决定。一维体系由于空间维度的限制常常表现出一些不同于三维体系中的奇异特征。对许多一维体系模型的研究结果表明,这些体系的热传导并不遵守傅立叶热传导定律,其热传导率κ随体系粒子数N的增加而增加,呈现出一种幂指数关系κ∝N~α(0 <α≤1),这种行为现在称为反常的热传导现象。本文提出了一个简单一维二聚化晶格模型并且运用分子动力学方法系统的研究了该模型的热传导性质。考虑到真实体系在热传导过程中能量的耗散不可避免,我们还研究了阻尼对一维体系热传导性质的影响。这种对更加接近于真实物理体系中能量传输过程的研究结论不仅丰富了一维体系中的能量传输理论,而且对于将来设计和制备具有某些新原理、新功能的微观热器件具有现实的指导意义。本论文共分四章。第一章是绪论,介绍输运理论的一些基本知识和一维体系热传导研究中的一些典型模型、温度和热流的定义等。在第二章中,我们分别介绍一维可积体系、一维动量守恒非可积体系和含有格点势的非可积体系的热传导性质。在第三章中,我们提出了一个简单的一维二聚化晶格模型并且数值的研究了该模型的热传导性质。考虑晶格长短键键能的差异后,我们数值的得到了在(0.7~0.4)之间连续变化的指数值α。对于某些真实的物理体系,如聚乙炔链等,我们的研究结果与模式耦合理论(Mode-coupling theory)的预测值相一致。另外,研究表明同质的(homogenous)链是最好的热导体。在第四章中,我们研究了阻尼对一维体系热传导性质的影响。引入阻尼后,一维体系的热传导行为展现了一些新的特征。最后,我们对本文的工作进行了总结,并对本领域的研究进行了展望。
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