斯特潘—玻爾茲曼定理的簡(jiǎn)單熱力學(xué)推導(dǎo)

艾志偉 吳昊

（武漢大學(xué) 物理與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430072）

斯特潘—玻爾茲曼定理的簡(jiǎn)單熱力學(xué)推導(dǎo)

艾志偉 吳昊

（武漢大學(xué) 物理與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430072）

斯特潘-玻爾茲曼定理是膚色系統(tǒng)中最為重要的定理之一，描述了輻射系統(tǒng)的能量密度和熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系。同時(shí)，在大學(xué)物理之中斯特潘-玻爾茲曼定理也有著相當(dāng)重要的地位。在文中主要就斯特潘-玻爾茲曼定理的簡(jiǎn)單熱力學(xué)推導(dǎo)進(jìn)行分析，希望以此來(lái)對(duì)斯特潘-玻爾茲曼定理有著更加深刻的認(rèn)識(shí)。

斯特潘-玻爾茲曼定理；簡(jiǎn)單熱力學(xué)；推導(dǎo)

大學(xué)物理包括力、熱、電、磁、光以及近代物理幾個(gè)部分組成，是理工農(nóng)醫(yī)學(xué)生必修重要基礎(chǔ)課程。目的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力、提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)打下基礎(chǔ)的極其重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。作為上課的老師應(yīng)該把教材上的內(nèi)容講解清楚透徹，教材上的內(nèi)容由于篇幅限制不可能把所有內(nèi)容都一一俱到。比如近代物理黑體輻射斯特潘-玻爾茲曼定理一般教材上只是給出公式，沒(méi)有具體的推導(dǎo)過(guò)程。少數(shù)教材說(shuō)明了根據(jù)熱力學(xué)理論或統(tǒng)計(jì)物理知識(shí)可以推導(dǎo)該公式。非物理專(zhuān)業(yè)學(xué)生很難推導(dǎo)斯特潘-玻爾茲曼定理。文章用三種簡(jiǎn)單的熱力學(xué)方法，推導(dǎo)了黑體輻射斯特潘-玻爾茲曼定理，以幫助學(xué)生理解。

引言

斯特潘-玻爾茲曼定理（Stefan-Boltzmann's law）描述了一個(gè)輻射系統(tǒng)的能量密度與其熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系，是輻射理論中最初也是最重要的定理之一。這個(gè)定理最初是由斯洛文尼亞物理學(xué)家約瑟夫·斯特潘（Josef Stefan）在整理法國(guó)科學(xué)家杜龍（Pierre Louis Dulong）和珀替（Alexis Thérèse Petit）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后給出的。他的學(xué)生玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）將他的結(jié)論拓展到灰體輻射，利用輻射場(chǎng)作為熱機(jī)的工作物質(zhì)，得到了我們現(xiàn)在稱(chēng)為斯特潘-玻爾茲曼定理的結(jié)論。斯特潘利用這條定理，第一次較精確地給出了太陽(yáng)表面溫度為5700K。

現(xiàn)今，這條定理是利用普朗克黑體輻射定理推導(dǎo)出的，但是它的一種表達(dá)形式，即輻射場(chǎng)的體能量密度與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比這種關(guān)系，也可以采用多種比較初等的熱力學(xué)方法得到。

推導(dǎo)過(guò)程中，需要應(yīng)用：

這個(gè)前提條件，其中ρ是輻射場(chǎng)壓強(qiáng)，u（T）是輻射場(chǎng)的內(nèi)能密度。這個(gè)關(guān)系可以從經(jīng)典熱力學(xué)［1］，統(tǒng)計(jì)力學(xué)［2］或者電動(dòng)力學(xué)［3］得到。

一、推導(dǎo)過(guò)程

下面我們采用三種簡(jiǎn)單的熱力學(xué)方法來(lái)推導(dǎo)斯特潘-玻爾茲曼定理，其核心思想都是采用了熱力學(xué)第二定律。

證明一：

我們以輻射場(chǎng)作為工作物質(zhì)，構(gòu)造一個(gè)卡諾熱機(jī)。熱機(jī)的兩個(gè)熱源，選擇兩個(gè)平衡態(tài)輻射源，溫度分別是T1，T2，其中T1的溫度比較高。卡諾循環(huán)是由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組合起來(lái)的循環(huán)。在循環(huán)的第一步，進(jìn)行等溫膨脹過(guò)程，熱機(jī)從溫度T1的輻射場(chǎng)吸熱，在輻射壓強(qiáng)ρ1下等溫膨脹，與輻射場(chǎng)熱平衡。

由式（1）可以看出，對(duì)熱輻射來(lái)說(shuō)，溫度T不變，則其內(nèi)能密度u（T）就不變，所以輻射壓強(qiáng)ρ也不變。換句話說(shuō)，對(duì)輻射場(chǎng)而言，相圖上的等溫線就是等壓線。于是當(dāng)輻射場(chǎng)體積從V1增加到V2時(shí)，其對(duì)外做功為：

在這個(gè)等溫過(guò)程中，輻射場(chǎng)內(nèi)能密度不變，但是體積從V1增加到V2，則其總內(nèi)能增加了：

由熱力學(xué)第一定律，在這個(gè)過(guò)程中，熱機(jī)從熱源T1吸收的熱量是：

假定這個(gè)循環(huán)中，熱源溫度T1和T2只相差一個(gè)非常微小的量dT，其體積改變量也是一個(gè)小量dV=V2-V1，于是，在這個(gè)循環(huán)過(guò)程中，熱機(jī)對(duì)外做的功，就是這個(gè)循環(huán)過(guò)程所包圍的面積，可以近似看作一個(gè)平行四邊形的面積，即是：

代入式（2）的結(jié)果，這個(gè)熱機(jī)的效率是：

由卡諾定理，我們知道，一個(gè)卡諾熱機(jī)的效率是［1］：

對(duì)比式（4）和式（5），可以看到：

積分后，考慮當(dāng)熱力學(xué)溫度T=0 K時(shí)，輻射場(chǎng)能量密度為零，就有：

即是，輻射場(chǎng)的體能量密度與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比。其中a是積分常數(shù)，也稱(chēng)為斯特潘-玻爾茲曼常數(shù)。

這個(gè)推導(dǎo)過(guò)程，應(yīng)用了卡諾定理?？ㄖZ定理是熱力學(xué)第二定律的一個(gè)重要推論。利用卡諾定理，可以證明許多有用的理論，比如相變理論中重要的克拉伯龍方程。

證明二：

由卡諾定理，我們可以得到一個(gè)關(guān)系式［4］：

利用這個(gè)式子，可以簡(jiǎn)單的證明斯特潘-玻爾茲曼定理。

一個(gè)輻射場(chǎng)的內(nèi)能，可以表達(dá)為單位體積內(nèi)能，即內(nèi)能密度乘以其體積，即是：

證明三：

上述兩種證明方式都應(yīng)用了卡諾定理，我們知道，卡諾定理是可以從熱力學(xué)第二定律導(dǎo)出的，所以，應(yīng)用熱力學(xué)第二定律，也可以直接給出斯特潘-玻爾茲曼定理。

由熱力學(xué)第二定律的微分形式：

將S看作是T和V的函數(shù)，進(jìn)行全微分，有：

對(duì)比式（10）和式（11），有：

將式（12）對(duì)T求偏微分，有：

同樣的，將式（13）對(duì)V求偏微分，有：

對(duì)于熱力學(xué)函數(shù)S來(lái)說(shuō)，其二階偏微分滿(mǎn)足：

二、結(jié)束語(yǔ)

在文章中，我們用三種不同方式證明了輻射場(chǎng)的能量密度和其熱力學(xué)溫度的四次方成正比。其中斯特潘-玻爾茲曼常數(shù)（a=5.67×10-8W·m-2·K-4）在我們的推導(dǎo)中是以一個(gè)積分常數(shù)形式出現(xiàn)的，不能給出具體數(shù)值，而根據(jù)普朗克黑體輻射定理，可以給出這個(gè)常數(shù)具體的數(shù)值。需要說(shuō)明的是，斯特潘-玻爾茲曼定理有很多種證明方式，我們?cè)谶@兒給出的，是其中最為簡(jiǎn)單、最容易被學(xué)生理解的幾種熱力學(xué)方式。掌握這幾種方式推導(dǎo)的過(guò)程，可以有助于學(xué)生更好的理解如何應(yīng)用熱力學(xué)第二定律和卡諾定理去解決一些問(wèn)題，也能夠加深他們對(duì)黑體輻射中斯特潘-玻爾茲曼定理的理解和掌握。

［1］楊素琴.平衡輻射場(chǎng)壓強(qiáng)的探討［J］.雁北師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，20（2）：11-13.

［2］佟華.空腔輻射中輻射壓強(qiáng)與輻射能量密度之間關(guān)系［J］.吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（3）：123-124.

［3］袁德榮.介質(zhì)表面輻射壓強(qiáng)的研究［J］.湖北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998，20（1）：36-39.

［4］李椿，章立源，錢(qián)尚武.熱學(xué)（第二版）［M］.2008.

Stefan-Boltzmann law system is one of the most important theorems in the color system，describes the relationship between the energy density and the thermodynamic temperature radiation system.At the same time，in the university physics Stefan-Boltzmann law also has a very important position.In this paper mainly the simple thermodynamic derivation Stefan-Boltzmann law is analyzed，hoping to more profoundly understand the Stefan-Boltzmann law.

Stefan-Boltzmann law；Simple Thermodynamics；deduction

G642

A

2096-000X（2016）22-0088-02

艾志偉（1966，10-），男，漢族，職稱(chēng)：講師，學(xué)歷：博士，研究方向：半導(dǎo)體器件方面研究工作。