熵增加原理的发展及其应用

熵是克劳修斯(R.Clausius)于1854年首先引入的一个热力学状态函数,用来表述热力学第二定律即熵增加原理.二十世纪初,以第一、二、三定律为基础的热力学,已发展成为一门独立的学科——平衡态热力学(即所谓经典热力学).1945年以普利高津(I.Prigogine)为首的布鲁塞尔学派,在平衡态热力学的基础上开始建立了非平衡态热力学理论.首次把平衡态的熵增加原理发展为近平衡(即线性非平衡)情况下的最小熵产生定理,以及远离平衡(即非线性非平衡)情况下的超熵产生概念和耗散结构理论.非平衡态热力学理论的创立是近几十年来热力学发展史上的突破,它的应用远远超出了经典热力学的范围,不仅在非生物界,而且在生物界以及经济学、社会学等学科中的研究和应用都具有广阔的发展前景.     

耗散结构与地球物质系统

耗散结构理论是一种关于非平衡系统的自组织理论,它是由比利时自由大学普里高津教授在长期研究非平衡态热力学和统计物理学的基础上,于一九六九年提出的。普里高津指出,一个系统要形成耗散结构至少需要四个必要条件。第一,系统必须是一个开放系统;第二,系统必须远离平衡态;第三,系统内部各个要素之间存在着非线性相互作用;第四,涨落导致有序。地球物质系统满足这四个必要条件,因此它是一个耗散结构系统。下面拟从这四个方面来阐述地球物质系统是一耗散结构系统的论题。     

转变年代的科学

我们的时代是以多种概念和方法的相互冲击与汇合为特征的时代。普里高津因提出耗散结构理论而荣获诺贝尔奖,他在与尼科里斯合著的《探索复杂性》一书中论述了非平衡现象物理学、动力系统数学与实验科学之间的冲击与汇合,阐明了非线性与非平衡这两个要素在客观世界中的自组织和复杂性中所起的作用,介绍了耗散结构理论的新发展。蒙作者厚意,将这本尚未出版的著作的前言“转变年代的科学”交我刊在本期先行发表。     

迎接新物理学的曙光

著名理论物理学家W·温伯格曾指出：物理学始终是一个未完成的逻辑体系：而本刊所载一文正具体阐述了他的这一观点．此观点当然符合科学不断发展的基本思想。     

从宏观非平衡热力学到随机热力学

本文评述了宏观非平衡热力学的成就及面临的问题,强调了研究非平衡涨落的重要性。同时介绍了马尔可夫过程理论渗入热力学,把涨落纳入热力学理论框架企图的产生,从而导致了随机热力学建立,这一值得注意的非平衡热力学发展新动向。     

非平衡定态下吸附过程的热力学分析

从非平衡热力学理论出发,指出了有温差存在的非平衡吸附定态存在的可能性和所处的状态,分析得到了非平衡定态下体相和吸附相间的化学势差,并求出了相应的吸附熵和等量吸附热.计算了定态下吸附熵和等量吸附热相对平衡态的改变量,并与用平衡热力学计算得到的结果进行了比较.结果表明用非平衡热力学计算得到的吸附熵和等量吸附热的改变量不仅与温差还与吸附状态有关,而平衡热力学的结果只是温差的函数,与吸附状态无关.主要原因是把吸附和气体温度变化看作一个整体,考虑了两者间的影响,而平衡热力学方法则把定态吸附过程看作两个不相干的过程,未考虑两者间的影响.     

地球系统演化自组织理论与热动力模式

地球演化遵循特殊的非平衡、非线性物理学原理.地球之所以摆脱了行星共有的归宿——非平衡定态,跃迁到一个充满希望的非线性世界,是由于地球体系曾发生过一次来自内部的、随机的巨涨落。这次决定地球命运的巨涨落就是原始CO_2大气自发液化事件(干冰事件).建立在非平衡热力学理论和干冰假说基础上的地球系统演化理论与模式,使许多地球问题和复杂现象获得解释,同时也成功地建立了完整的地球演化重要事件的时间序列.     

从热力学第二定律谈节能

《从热力学第二定律谈节能》一文,从热力学第二定律理论出发,对提高热能设备的效率、综合利用各类能源作了介绍,这反映了当今节能潜力是很大的。开发新能源是能源科学中另一重大新领域。     

编后记

为纪念著名的地质学家、大地构造学家张文佑教授逝世一周年,本期发表了张先生在病榻上总结口授的、由他的学生吴根耀系统整理成的《试论碰撞运动》一文,这是一篇高度概括的、反映张文佑晚年学术思想的代表作。随着电子计算机技术的进步和量子化学计算方法的改进,自六十年代末以来现代化学键理论有很大的发展。鄢国森教授在“科学家论坛”中对利用定域分子轨道计算大分子性质的问题作了探讨。傅孝愿、何福城、郝呜鸿、马新忠等也在“理论化学专栏”里分别介绍了他们的研究成就。这个专栏中罗久里的《从宏观非平衡热力学到随机热力学》评述了宏观非平衡热力学的成就,以及作为其辉煌成果的耗散结构理论等所面     

热力学第二定律普适性的疑难

热力学第二定律是不是一条普遍适用的定律一直是个悬而未解的难题。本刊13卷2期刊登的《热力学第二定律的应用限度》一文主要从物理学的角度出发,从一定的深度上探讨了热力学第二定律仅在宏观系统中成立,而对微观、宇观系统皆不适用。本期发表的《热力学第二定律普适性的疑难》一文则从热力学第二定律泛化至宇宙学和社会学所出现的一些矛盾问题着手,引出了一些值得认真思考的问题,并通过几个实例从广度上指出了热力学第二定律的普适性还有待证实。这两遍文章遵循了不同的思想路线从不同角度讨论了第二定律的应用范围。     

热力学中萦绕不散的“哲学之妖”

<正>热力学是一项怪异的理论。尽管热力学是我们了解世界的基础,但它与其他物理学理论大不相同。热力学故此被叫作物理学中的"村巫"。热力学有许多怪异之处,其中包括经典统计力学的怪诞的哲学意涵。早在相对论和量子力学将现代物理学的悖论展现于公众视野中之前,路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)、詹姆斯·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)以及其他统计力学开拓者早已使出全力,与几个恐将破坏热力学的思想实验(或者说是"哲学之妖")角力。     

热力学第二定律的应用限度

关于热力学第二定律的应用范围,一直到现在还没有最后定论。西方大多数学者认为,第二定律是普遍性的定律,它不仅适用于一般的热力学系统,同时也适用于总星系和宇宙,宇宙的热寂状态是必然要达到的。一些学者指出这种说法的荒谬性,并且加以驳斥。但是,他们的论证主要是从哲学角度出发,未能击中热寂说的要害。《热力学第二定律的应用限度》一文认为,第二定律是物理学定律,它的证明或反驳都必须从物理学角度来进行。因此,该文试图证明第二定律仅在宏观系统成立,对微观系统及宇观系统皆不适用。     

从蛋白质到原始生命

从蛋白质到原始生命吴继星编译生命是偶然出现的，还是由确定的化学步骤所引导的？生命从低等、单细胞的形式进化到高等而复杂的生物体的概念不再是一成不变的理论了，至少从科学的观点来看，不过是一种似乎有理的假定而已。进一步的说，现在生物化学和遗传学进展十分清楚...     

声学的发展

控制论为各种自动控制机器的设计提供了理论基础和科学方法。本期郑应平同志一文对控制论中的几个最重要概念以及控制论的主要分支作了简明介绍。声学是物理学的一个重要分支,它与物理世界和生命世界有着密切的关系,《声学的发展》一文对此作了介绍,文章写得深入浅出,值得一读。     

对称性自发破缺的历史发展

本世纪最伟大的科学成就之一是弱电统一理论,而使该理论取得重大突破性发展的是真空对称性自发破缺的应用。对称性自发破缺的概念在当代物理学中占有十分重要的地位。本文将研究探索对称性自发破缺概念是如何从固体物理学领域(特别是超导现象)移植到粒子物理学中,以及物理学家们是如何克服重重困难,最后使其成为粒子物理学的重要概念的。     

熵概念的泛化

熵增原理在近几十年内,已应用于生物学、气象学、天文学和天体物理学等自然科学,值得一提的是,从本世纪60年代以后,熵理论又在社会科学和人文科学中获得了应用,并取得一批成果。因此,有人主张把熵的概念从原来的热力学领域渗透到人类的全部精神文明和物质文明中去。一句话,现代科学、现代技术、现代生活无不与“熵”相关。《熵概念的泛化》一文将为你提供这方面的信息。     

当今的数学和物理学

数学和物理学的接近和达三树(东京大学教养学部物理学教研室)最近几年来,在统计力学领域里可解模型的研究取得了大发展,这是关于二维的古典统计力学方面的.因该模型具有能准确计算出热力学量的特点,从利用它就能系统地进行研究这个意义上而言,它是具有划时代意义.而且,因它与保形场的理论及超弦理论有关连,与基本粒子理论在数字方面具有共通性.     

美哉,物理!(一)

本文为近期将由上海科学技术出版社出版的《美哉物理》的首篇,即该书的总论;它勾划了现代物理学——理论及其应用——百余年来的进展概况以及某些领域的本世纪发展趋势,论列了物理理论的美学特征以至十分丰厚、充实的科学美学意义。该书赞美了现代物理学的辉煌成就,从科学哲学和科学美学的高度论述了现代物理学的概念、原理、思想、方法,并对其前沿性理论研究的未来发展作了较深入的讨论。本刊分期连载该书的总论,让读者先期了解该书的内容和特色;此总论相当简练地描绘了优美的物理学基本理论的进展全貌。     

固体物理学史

固体物理作为一门科学单独分离出来,大约要向前追溯45年。那时出版了第一本专论固体物理内容的著作,并率先使用了“固体物理学”这一名词。该书即Fredrick Seitz撰写的《现代固体理论》,1940年出版。作者曾尝试在该书中全面论述所有那些能经得起量子力学理论检验的固体性质,它是当时最早从固体理论观点出发,提出许多与一般物理学内容根本不同的固体物理学专著。适合大学生程度并全面阐叙固体物理学观点的第一本教科书是 Charles Kittel 1953年写成     

固体中的元激发

固态量子理论的发展表明,采用元激发的概念,对于用一种统一的观点来描述固体的性质很有成效。激光技术的发展,为固体中各类元激发的研究提供了强有力的手段。元激发理论和光散射的实验研究相辅相成,在物质结构和各种微观过程的研究中起着重要的作用,对固态光子学、材料科学、信息科学和能源科学等应用科学的发展也有很大的推动作用。《固体中的元激发》一文,对声子、自旋波量子、等离子振荡量子和极化子等一些元激发概念作了详述。