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.     

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.     

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。     

非理想等离子体的压强计算公式

受控核聚变已日益接近点火条件,对稠密的非理想等离子体基本性质的研究目前正广泛开展。维德诺夫(Vedenov)曾给出热力学平衡态的非理想等离子体的压强公式。实验室和天体等离子体往往处于非热力学平衡的定态。     

四维遗传学与耗散结构

从四维时空的概念出发,意大利遗传学家吉达提出了四维遗传学的论点,提醒人们从时空复合的观点出发,探讨生物的遗传问题,并形成基因空间子与时间子的假说。耗散结构学说则是比利时物理学家普里戈金关于非平衡热力学和非平衡物理学的一个科学理论(本刊3卷1期已发表昔里戈金的《从存在到演化》一文,可参阅)。本期吕宝忠同志一文认为只有将相对论、非平衡热力学和非平衡统计物理学的概念、观点和方法渗透到遗传学的研究中去,才能将四维遗传学上升为严谨的科学理论。     

单相滞热传导温度场的振动现象及其热力学基础

传统的傅里叶定律存在一定的不足, 即导致了热扰动的传播速度无穷大. 单相滞热传导模型弥补了傅里叶定律这一不足. 首先说明此模型满足伽利略不变性原理, 因而优于著名的Cattaneo-Vernotte模型. 进而依此模型探讨了微观热传导中的振动现象, 给出了振动性热传导发生的条件. 改进了拓展不可逆热力学, 重新定义了广义非平衡热力学熵, 为单相滞热传导模型建立了热力学基础.     

低压金刚石生长的非平衡定态三元投影相图

自从1980年以来,激活的低压化学汽相淀积(CVD)金刚石生长已成为一个研究热点.但是过去十多年中,不少热力学的解释是不能令人满意的.Bachmann等把文献中的许多实验数据进行总结,并归纳为一个低压CVD金刚石气相生长的经验性三元碳-氢-氧(C-H-O)体系相图.此后虽然也有不少文章专门讨论这一相图,但至今尚无满意的解释.基于我们的非平衡热力学耦合模型,本文计算得到了一个三元C-H-O体系的非平衡定态投影相图,理论与实验结果相符.     

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.     

热力学可逆和不可逆极限的时间属性

一般认为热力学与时间无关,它只能描述平衡状态和可逆过程。而另有人认为两者有十分重要的关系,热力学(尤其是其第二定律)可对非平衡体系不可逆过程进行重要描述。本文提出在各种热力学过程中,存在着两种极限过程:一种是可逆过程,另一种是极端     

中国工程热物理学会年会简讯

1983年10月4日至10日在西安举行了中国工程热物理学会第四届年会。与会代表190名。这次年会共交流了学术论文175篇。其中,工程热力学与能源利用专业委员会24篇,热机气动热力学     

复杂系统的热力学理论

现有的热力学理论在处理远离平衡的开放复杂系统方面遇到了前所未有的困难。本提出一个新的热力学原理：“一个远离平衡的开放复杂系统总是在寻找一种优化过程使得系统在给定的约束或代价下获得最大广义流J”的新热力学原理，在此基础上发展了开放系统的统计理论。分析了非平衡相变。阐述了复杂系统中由自然选择而导致的进化。最后从物理和数学上导出了耗散结构的形态即复杂系统的分形结构。试图为解决30年来分形机理的疑难和困惑提供借鉴。     

简讯

中国工程热物理学会气动热力学、工程热力学学术会议于1984年10月9～15日在黄山举行,与会代表约150人,这次会议分两大组进行,气动热力学大组就计算方法(如网格生成等)、不稳定流动和粘性等课题进行了交流,近年来,应用研究得到加强,并密切注意     

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     

热力学与动力学相关性,科学与人文的统一

金属热加工通过相变决定材料最终组织和性能。随着非平衡技术的快速发展,热加工工艺趋于极端化和多样化,控制相变的热力学与动力学机制从简单近平衡条件下的相对独立转变为复杂远平衡条件下的高度关联。基于热-动力学独立处理的传统理论已无法应对上述相变涉及的机理描述、组织预测和过程控制。随着催化剂研究体系的扩展,传统的基于独立的反应动力学或吸附热力学的设计已无法满足催化剂的高性能需求与高效筛选。本文从人文领域中的激情与困难的逻辑关系中,引申出科学领域中的热力学驱动力与动力学能垒的相关性,针对非平衡凝固过程、晶界迁移及晶粒长大热稳定性、纯Fe沿Bain路径的马氏体切变,整理出热力学驱动力与动力学能垒的定量关联,建立了组织预测模型,提出了热-动力学协同作用的新理念,并据此设计出高性能DD3高温合金、Fe基纳米晶材料、A356铝合金和应变态电催化材料。     

人造金刚石低压合成的非平衡定态相图研究

人造金刚石能实现低压稳定的生长,同时可出现石墨的消蚀,对此无法用经典热力学来加以解释.用非平衡热力学耦合理论,可以对人造金刚石的低压合成作出明确的回答.对恒温恒压反应过程,用Gibbs自由能,(G)的变化来判断反应方向.(1)C(石墨)=C(金刚石);低压下,△G_1>0;反应自发地向左方.(2)H~*=1/2H_2,△G2<<0;反应强烈趋向于右方.反应(1)与(2)发生热力学耦合时,(3)=(1)+χ(2),C(石墨)+χH~*=χ/2 H_2+C(金刚石),只要耦合参数χ不是很小,△G_3=△G_1+χ△G_2<0;反应将趋向于右方.所以,有足够超平衡浓度     

表面热力学

表面物理是近十几年发展起来的一个综合性的研究领域,而表面热力学早在十八世纪七十年代就奠定了基础.统计热力学的主要创始人吉布斯对表面热力学倾注了极大的热情,并作出了重要的贡献.表面热力学对胶体、催化、吸附与分凝等现象的物理化学分析起着重要的作用.十九世纪初,由于晶体生长技术研究的需要,表面热力学取得了新的进展,得出了关于晶体表面平衡位形和稳定性的基本定理,形成了所谓“几何热力学”的分支.最近,由于超高真空技术和表面物理的迅猛发展,表面热力学日益显示出它的重要性.随着气体放电物理与受控核聚变研究的进展,利用等离子体的表面处理、电极表面现象、等离子体与金属表面相互作用的研究均已广泛开展.可以预期,表面热力学将获得迅速的发展.     

基于不可逆热力学的膜换湿过程研究

利用非平衡热力学理论研究了膜换湿过程的热质耦合现象, 建立了相应的物理数学模型, 求得了非平衡热力学模型中各特征参数的具体表达式, 分析了各特征参数与膜两侧温度和浓度的依变关系, 为传质通量和传热通量的分析计算奠定了基础. 探讨了膜两侧温差、浓度差以及膜平均温度对透膜通量及热流束的影响情况, 结果表明: 当膜平均温度相同时, 膜两侧浓度差越大或温差越小对应的透膜传质通量就越大; 当膜两侧的浓度差和温差相同且浓度差产生的质量流占主导地位时, 膜平均温度越高, 对应的透膜传质量也越大; 透膜质量流引起的吸附热占总热流的比值与膜两侧的温差、浓度差以及膜基准温度有关, 且膜两侧温差越小, 吸附热占总热流的比重就越大.     

简讯

第三届全国非平衡统计物理学术会议1982年11月2日至8日在昆明举行.会上报告论文68篇,交流论文60篇.论文及报告涉及非线性系统的分岔与混乱,非平衡系统的对称性问题,动力学系统的“湍流”与“奇异吸引子”等.与会者注意到,今后还应开展其     

马链的细致平衡(可逆性)与环流分解

在统计物理中,所谓热力学平衡是通过细致平衡达到的,而细致平衡反映到马氏过程中就是可逆性条件。在文献[1—3]中研究了可逆的马氏过程。近年来Prigogirne、Hakcn等人提出了远离平衡而表现为定常状态的耗散结构,引起了广泛的重视。耗散结构在马氏过程中的反应是什么呢?本文从讨论平稳(物理上所谓定常状态)马链的结构出发,对不可逆(非细致     

中国工程热物理学会第三次学术会议在桂林举行

中国工程热物理学会第三次学术会议于4月18～26日在桂林举行.与会代表233名.收到学术论文146篇. 论文报告基本上分四个专业组进行.热机气动热力学组的内容主要涉及我国著名科学家吴仲华教授创立的叶轮机械三元流动理论及其多方面的发展.传热