论非平衡态统计物理基本方程——兼论非平衡熵演化方程和熵产生率公式

该文综述了作者的研究成果．十多年前,作者提出了一个新的非平衡态统计物理基本方程以取代现有的Liouville方程．这就是6N维相空间的随机速度型Langevin方程或其等价的Liouville扩散方程．这个方程是时间反演不对称的．它表明,统计热力学系统内的粒子运动形式同时具有漂移扩散二重性,统计热力学运动规律是由动力学规律和随机性速度二者叠加而成的,既有确定性又有随机性,因而有别于动力学系统内的粒子运动规律．粒子的随机扩散运动正是宏观不可逆性的微观起源．由这个基本方程出发,求得了BBGKY扩散方程链、Boltzmann碰撞扩散方程和流体力学方程,如质量漂移扩散方程、Naiver．Stokes方程和热导方程等．更重要的,首次建立了6N维、6维和3维相空间的非平衡熵密度随时空变化的非线性演化方程,预言了熵扩散的存在．这个熵演化方程在非平衡熵理论中起着核心作用．它指明,非平衡熵密度随时间的变化率是由其在空间的漂移、扩散和产生三者引起的．进而由这个演化方程,求得了6N维和6维相空间的熵产生率公式、即熵增加定律公式,论证了非平衡系统内部吸引力能导致嫡减少而排斥力则引起另一种熵增加,导出了熵减少率或另一种熵增加率的共同表达式,给出了统一热力学退化和自组织进化的理论表达式,阐明了趋向平衡的熵扩散机理．作为应用,还将这些熵公式用于计算和讨论了一些实际非平衡态和定态物理课题．所有这些结果都是严格统一从新的基本方程推导出的,未增补任何其他新假设．     

论孤立系统的熵与开放系统的熵

阐述把热力学第二定律滥用于整个宇宙的错误论点,论述孤立系统的熵变关系与开放系统熵变的区别与联系,在此基础上重点叙述开放系统熵变的问题．论文中针对生物系统的开放性,结合熵理论解释了开放系统的负熵论观点．并引出信息熵,叙述了信息熵与负熵的等价性．     

孤立系统中熵减的必要条件和化学反应

化学反应是非常复杂的,其包括振荡、凝聚、催化剂和自组织等.对这些情况熵的变化可以是增加或者减少.热力学第二定律是基于孤立系统和统计独立性.如果在系统中由于内部相互作用存在涨落放大,则可能出现熵减.在孤立系统中熵减的必要条件是存在内部相互作用.在化学反应中有各种内部相互作用,这样在一个孤立系统中具有熵减的某些有序化过程是可能的.     

自组织现象的热力学分析

作者从几何热力学的角度出发分析了自组织现象，并利用相空间的微观状态数计算了具体模型的熵值变化，分析了在沙堆的演化和沙崩过程中熵值变化的内在机制，研究表明，在自组织现象发生的过程中，自由能减少，但熵增加，作者还说明了自组织现象不仅在远离平衡的非平衡系统发生，而且在近平衡条件下也可能发生。     

泥浆沥清过程熵增物理机制研究

深入探索了泥浆沥清过程的物理机制,然后从理论上证明其过程满足热力学第二定律,最后发现:对于非孤立系统,可以把与系统有相互作用的那部分环境划出来与系统一起构成一个“新孤系”.其熵变有两种机制:一是系统与环境之间的热交换,热交换伴随熵交换,它可以使系统的熵增加,也可以使系统的熵减少;另一种机制是系统内部的不可逆过程,它只能使系统的熵增加.其总体情况是:在系统与环境的交界存在熵流,在系统内部存在不断往外“冒熵”的熵产生源泉——不可逆过程.     

泥浆沥清过程熵增物理机制研究

深入探索了泥浆沥清过程的物理机制，然后从理论上证明其过程满足热力学第二定律，最后发现：对于非孤立系统，可以把与系统有相互作用的那部分环境划出来与系统一起构成一个“新孤系”，其熵变有两种机制：一是系统与环境之间的热交换，热交换伴随熵交换，它可以使系统的熵增加，也可以使系统的熵减少；另一种机制是系统内部的不可逆过程，它只能使系统的熵增加．其总体情况是：在系统与环境的交界存在熵流，在系统内部存在不断往外“冒熵”的熵产生源泉——不可逆过程，     

熵原理及其在生命和社会发展中的应用

熵是物理学中的一个重要基本物理概念。通过对克劳修斯熵、玻耳兹曼熵的讨论,得到熵的本质和孤立系统的熵增加原理,并把孤立系统的熵增加原理推广为开放系统的熵原理。指出熵和熵原理的应用早已超出了物理学的范畴,广泛应用于许多自然科学和社会科学。阐述了熵原理在生命科学、宇宙热寂说和社会发展观方面的重要应用,指出熵和熵原理有助于人们形成科学的世界观和价值观,做出科学决策。     

流化床非平衡态热力学分析模型

用非平衡态热力学的分析方法分析了流化床系统的熵、熵产生、熵流,讨论了流化床系统的热力学分支和耗散结构分支,论证了流化床系统的能量最小原则,使热力学第二定律同流化床理论研究有机地相结合。建立了鼓泡流化床的数学模型和过渡态判据。热力学第二定律的引入,使热力学和流体动力学与流化床理论研究、耗散结构分支与系统运动形式的多样性、系统总体稳定与局部非稳定在理论描述上相统一。     

地球-大气-海洋系统熵收支的估算

地球-大气-海洋系统的能量收支遵循热力学第一定律(能量守恒定律),是守恒的;而系统的熵收支却遵循热力学第二定律(熵增加原理),是不守恒的. 文中给出并讨论了地球-大气-海洋系统的熵平衡方程并根据新近的全球多年平均的能量收支和海-气界面通量气候资料,重新对地球、大气和海洋系统界面上的年平均熵收支作出估计,以期为进一步研究系统内部不可逆过程导致的熵产生及其局域熵的时-空变化提供一个定量依据.     

从刘维空间反常朗之万方程到非平衡熵

用刘维空间反常朗之万方程取代刘维方程作为统计物理的基本方程，由此得到了平衡态系综，推导出了吉布斯非平衡熵和玻耳兹曼非平衡熵的变化率、非平衡态热力学基本方程及熵增加原理。自扩散张量是决定熵产生和扩散熵流的重要参量，但在非均匀的远离平衡态系统内不能证明熵产生密度各处都为正或等于零，而在某些局部可能为负。     

论动态统计信息理论

将现有的静态统计信息理论拓展至动态过程,建立以动力学系统的信息和信息熵的演化规律为主题及其应用的动态统计信息理论.从态变量演化方程出发,推导出表述信息熵和信息的演化规律的动态信息熵密度和动态信息密度的非线性演化方程.这两个方程表明:信息熵密度随时间的变化率是由其在坐标空间和态变量空间的漂移、扩散和产生三者引起的;而信息密度随时间的变化率则是由其在坐标空间和态变量空间的漂移、扩散和减损三者引起的.给出了漂移信息流和扩散信息流的表达式、信息减损率和信息熵产生率的简明公式.证明了动力学系统内的信息减损(或增加)率等于它的信息熵产生(或减少)率,信息扩散与信息减损同时发生.得到了反映传递过程动态特性的动态互信息公式,它在信道长度与信号传递速度之比趋于零的极限情况下变为现有的静态互信息公式.这些结果都是从信息和信息熵演化方程统一得出的,未增加新的假设.作为这些理论公式的应用,研究和计算了布朗运动的漂移扩散传递、热缺陷产生动力学及分子马达3个动力学课题的信息熵和信息的变化式,给出了高斯信道的动态互信息公式.     

边坡稳定性的等效塑性应变熵评价方法及工程应用

岩土体边坡是一个开放的、耗散的系统,边坡滑动失稳即为重力或外力或环境变化等作用下滑动体由静止开始运动直到破坏,即为由无序向有序的发展过程。本文基于信息熵理论,建立了边坡滑动变形过程中的等效塑性应变熵值方程,通过对实际边坡变形发展过程中等效塑性应变熵值进行计算分析得到,稳定边坡的熵值随时间逐渐增大,无下降段;滑动边坡的熵值随着滑坡的发展呈现先增后减最终稳定的变化规律,分别对应边坡土体单元塑性应变总体增加、塑性应变在滑动面附近逐渐集中、边坡滑动三个阶段,由此可对边坡所处状态作出评判;也为边坡稳定性判定提供了一种新思路。     

玻尔兹曼公式的一种新法推导

从分子运动论观点，把系统吸热与混乱度增加及熵值增加相联系，借助热力学第二、三定律，得到一种推导Boltzmann公式的新法。     

熵变与热力学方程关系的一种简便推导

由热力学第二定律的基本微分方程和理想气体状态方程,导出态函数熵的表达式,从而得出常见的过程方程．     

信息熵通过系统变化规律的研究

对孤立热力系统中的不可逆过程，热力系统熵自发不可逆地增加；而对自发进行的物理变化过程，物理场熵是减小的。迄今，信息系统中信息熵的变化规律尚不十分明确。对此进行研究，得出结论：带限平稳正态随机信号通过因果最小相位线性系统后，熵可增加或减小，可用线性逆系统使熵可逆变化；平稳非正态独立同分布随机信号通过因果非最小相位线性系统后，熵恒增加，并趋近平稳正态信号，使熵趋于最大。原线性系统不能使熵可逆变化，亦不     

基于耗散结构理论的知识流分析

本文认为知识流在一定条件下 ,其运行规律遵循系统熵值增加效应的趋势 ,即知识系统表现出从有序到无序的演变 ;另一方面 ,作为远离平衡态的开放的知识系统在另一条件下形成系统的知识耗散结构 ,即表现出知识系统从无序到有序的演变。作者借用知识耗散结构理论对知识流的进化进行分析 ,在此基础之上 ,提出了几点对知识流管理的方法。     

熵、巨势与开放的近平衡系统热力学第二定律的两种表现形式

从分析局域平衡理论框架内封闭热力学系统之熵产生与特性函数变率的关系入手，阐明了非平衡态的热力学特征，即非负耗散强度及非平衡线性区向最小耗散态演化的趋势，实际上是分别体现在热力学势的一阶及二阶变率层次上的状态演化方向。同时，提出了以巨势为基础的开放非平衡系热力学第二定律的表述形式，论证了在近平衡区与最小熵产生原理的等价关系。     

热力学第二定律在确定可燃气体爆炸极限中的应用

本文从热力学第二定律出发,分析了可燃气体的爆炸过程,借助孤立熵增原理,建立了单组分气体爆炸极限的计算公式,进行了实例验算,对计算结果的普适性和精确度进行了分析评价,从而为可燃气体的爆炸极限计算提供了科学的定量依据。