能量的普遍化表达式与能态公设

从能量的基本定义出发 ,考虑到能量的传递和转换方式 ,用广义的强度量和广延量给出了普遍化能位函数 .体系的能量被定义为普遍化能位函数在两状态之间的差值 .将状态公设发展为更为本质的能态公设 .利用能量的普遍化表达式给出了目前已知的各种具体形式的能量 .

导热与弹性系统及导电的相似性

本文将导热系统与弹性力学系统以及带电系统类比,发现这三种不同类型的系统在输运方面具有一致的行为特征,有相同的数学表达方式。都是在强度量的作用下,广延量的输运过程。强度量在被传递的广延量上的累积效果由广义功反映,广义功就是传递过程中的传递能力,传递能力在过程中有损耗。定义了导热过程中的热力功,它等于传热温度与传递的热量的乘积,反映了温度在传热量上的累积效果。热力功是传递中的热量传递势容,总热力功等于系统热量传递势容的改变量,热量传递势容表示物体的导热能力。

微波辅助萃取的微波吸收系数与吸收功率密度

微波吸收系数和吸收功率密度是反映微波辅助萃取效率的两个重要参量,前者代表了溶液对微波能的整体吸收比率,后者代表了溶液中某一点处微波能转化为热能的强度.文中根据微波在介质中的传播规律,导出了微波吸收系数与溶液复介电常数间的关系式;并以微波与物质相互作用的基本原理为基础,导出了微波吸收功率密度与物质复介电常数以及空间位置间的量化关系式.所得结论可为微波辅助萃取中溶剂的选择以及特定溶剂中微波频率的选择提供理论参考.

传递过程的统一描述

提出了传递公理,即任何形式的传递过程都是在相应基本强度量差推动下,基本广延量的流动过程;基本广延量的传递过程也同时是与之对应的能和(火用)的传递过程。定义了热力学流密度和热力学力的数学表达式,在传递公理的基础上,利用能和(火用)的普遍化表达式,分别建立了三类广延量的传递定律。利用传递定律,结合广延量的平衡方程,导出了传递方程的普遍化表达式。

能量传递和转换的动力学分解关系

利用基本强度量乘以与其共轭的基本广延量的平衡方程,导出了能量传递和转换的普遍化动力学分解关系。该普遍化分解关系式表示出了任意形式的能量与其他形式能量之间的传递和转换关系,可以由此导出各种形式能量的动力学方程。利用这个普遍化方程导出了在工程领域常见的动能、化学能、压能和热能传递和转换的动力学分解关系。利用这些分解关系式给出了系统总能量的变化方程。这些动力学关系式清楚地反映出,在满足能量守恒的条件下,系统内部不同形式能量之间存在的可逆或不可逆的转换关系。能量的动力学分解关系有助于加深对能量传递和转换的理解,可以为合理地利用能源提供理论指导。

导热能力损耗的机理及其数学表述

热量传递势容(势容,又称为火积)反映了物体的导热能力,它等于物体的热容量与温度乘积的一半。提出了热力功的概念,它被定义为传热温度与被传递热量的乘积。传热过程中的热力功等于势容的改变量,热力功就是传递过程中的势容。在导热过程中势容会出现损耗,势容损耗的机理是,传热物体的温度高于吸热物体的温度,传热物体的温度所做的热力功多于吸热物体的温度所做的热力功。导热过程中的势容损耗被定义为传热物体的温度与吸热物体温度的差所做的热力功。单位时间单位体积内的势容损耗等于导热系数与温度梯度平方的乘积,该表达式可作为导热系统优化的目标函数。势容可同时作为热力学中导热过程可逆性的判据。

热力学及其普遍化表达式的动力学特征

分析了功、热、能和的物理意义以及与热力学定律的关系,做功和传热是能和传递与转换的两种途径,从热力学第一定律定义的能量只有相对意义。是系统相对于环境所具有的做最大有用功的能力,相对于选定的环境,是系统的状态参量。常规的计算式是从热力学第一和第二定律导出的结果,从动力学的角度讨论了及其普遍化表达式的物理含义。起源于系统与环境的不平衡,如果系统与环境之间存在着某种(或几种)强度量差,在强度量差的推动下系统可能自动地变化到与环境相平衡的状态(寂态),在这样的过程中系统可以对外做功,这种做最大有用功的能力就是系统的。在能量公设的基础上,的微分被普遍地表示为强度量差与其共轭的广延量微分的乘积。的普遍化表达式完整地反映了的物理含义及其动力学特征,利用能量和的普遍化表达式导出了损失的普遍化表达式。

不同目的热优化目标函数:热量传递势容损耗与熵产

热量传递势容(势容)反映了物体的导热能力,在导热过程中势容有损耗,对应于势容损耗最小的导热过程效率最高,传热速率最大。熵反映了过程的不可逆性,在导热过程中熵有增加(熵产),对应于熵产最小的过程是系统做有用功的能力((?))损失最小的过程。以势容损耗和熵产为目标函数,分别对导热平板和圆形导热管进行了导热优化计算。以势容损耗作为目标函数的优化,要求沿传热方向温度的梯度为常数,结果是系统具有最大的导热能力。以熵产作为目标函数的优化,要求沿传热方向温度的自然对数的梯度为常数,结果是系统具有最小的(?)损耗。

传递过程强化的新途径——场协同

强化传递过程是节约能源、提高生产效率的有效途径 ,物理场是表述物理量的重要方法 ,介绍了强化传递过程的新途径———场协同理论 ,论证了场协同理论的热力学基础 ,采用寂态热动力学和非平衡态热动力学的观点 ,导出了场协同理论的唯象学方程 。

交叉现象的热力学机制与传递公理

分别用经典热力学和非平衡态热力学方法证实在交叉现象中,首先由于一种强度量差的作用产生另一种强度量差,其次才有了对应广延量的流动。在磁热效应中,磁场的变化首先通过磁矩的变化产生温度的变化,只有温度的变化才能引起熵和热量的流动。在温差电效应中,温度差首先通过熵的变化产生电势差,有了电势差才有了电荷的流动。得出研究交叉现象的关键是寻找强度量之间的关系;给出研究交叉现象的方法,即传递公理与热力学分析相结合分析交叉现象。

介质中的电磁能量密度及其损耗

以电磁场理论为基础,从场与介质相互作用的角度详细分析了介质中电(磁)场能量密度的物理意义,将介质中的电磁能量密度分解为电(磁)场能量密度和介质的极(磁)化能量密度.极(磁)化能量密度决定于极(磁)化强度和外场强度.在交变电(磁)场中产生电磁能量损耗的物理机制是,由于非线性介质中的各种阻尼作用,电(磁)偶极矩跟不上外场的变化而出现弛豫损耗,电磁能量被损耗转换为热能.利用极(磁)化能量密度公式导出在简谐交变外场中电磁能量损耗的平均功率密度表达式,该损耗功率密度与介质的相对介电常数(磁导率)的虚部、外场频率和场强的平方成正比.电磁能量密度时变值分解为场能时变值、极(磁)化能时变值和电磁损耗时变值.

函数的几个重要特性

基于(火用)的普遍化表达式及其推论,得出了热力学体系(火用)函数的三个重要性质。热力学系统的(火用)值在寂态等于零,其它任何状态都大于零。不同形式的(火用)之间可相互转换,体系的总(火用)可能有不同的表现形式,总(火用)的变化量才等于各种形式(火用)的变化量之和。自发过程的方向就是体系(火用)减少的方向,(火用)可作为自发过程的方向判据。

外场作用下多组分质量传递Maxwell-Stefan方程及其应用:电场作用下球形颗粒中的扩散

Fick扩散定律只能用于没有外场作用下的二组分扩散过程,Maxwell-Stefan(MS)方程适用于外场作用下多组分系统中的质量传递过程。阐述了MS方程的物理意义,并由此将外场作用下普遍化MS方程的表达式改写为清晰且易于使用的形式。给出了在MS方程中常用的外场作用力的数学形式。Fick扩散定律是MS方程在没有外场作用下对二元理想流体扩散的应用;MS方程对离心分离和电解质扩散等过程的描述比传统的描述方法更全面。利用MS方程导出了欧姆定律,利用该结论可以通过测量电导率计算带电粒子的扩散系数。利用MS方程研究了电场作用下球形颗粒中的扩散过程,结果表明,该方程可以对电场强化质量传递过程给出有效描述。MS方程为外场作用下的质量传递过程提供了一种有效的理论研究方法。

电场强化对流传热的热力学机理

外场作用能够有效地强化传递过程,电场强化传热便是其中的一个研究热点.为揭示电场强化对流传热过程的热力学机理,文中利用能量公理建立了电场作用下的基本热力学关系,定义了电场作用下的焓和吉布斯函数,导出了等温条件下焓随电场的变化以及绝热条件下温度随电场的变化关系.结果表明:对于常用的液体物质,在有效的工作温度范围内,焓在等温过程中随电场增加而减小,温度在绝热过程中随电场增加而上升;如果在系统放热过程中施加电场作用,焓减小意味着系统能够放出更多的热量,温度上升意味着更利于向低温热源放热,因此电场作用能够提高传热效率.文中还基于此热力学机理提出了一个电场强化对流传热过程的原理图.

热力学函数的基本微分关系与特征函数

从火用的普遍化表达式出发,推导出了热力学体系火用函数的第一、二基本微分关系式,这两个微分式将不可直接测量的火用表示为可测参数的函数。利用基本微分关系式不仅可以通过实验的方法研究体系火用函数的特性,而且还可以求解体系的火用函数。在恰当的选择了自由变量之后,体系的火用函数可以作为特征函数,由此可求出所有其它热力学函数。

静电场作用下电介质电热效应的热力学机理

以电热效应为基础的固体制冷技术在微电子器件散热等方面有重要的应用.文中将极化能引入热力学基本微分方程,导出了静电场作用下系统的热容、温度、熵和热流量等随外场变化的计算公式,并选用钛酸钡的实验数据验证热力学理论公式,发现这些热力学理论计算式与文献资料提供的实验结果相符.研究表明,电偶极矩随外界温度发生变化是产生电热效应的基础,且介电常数的温度变化率越大,电热效应越明显,因此巨电热效应的研究方向应该是寻找介电常数随温度的剧烈变化区域.

电(磁)场作用下的平衡态热力学

利用电磁场辅助强化物理和化学过程具有显著的效果,用热力学描述电磁作用过程是一种有效的理论方法。介绍了经典热力学的基本研究方法,将介质中的电磁能量密度分解为真空部分和纯介质部分,导出了介质中极化能和磁化能的微分式。利用能量公理建立了电(磁)场作用下系统的热力学基本微分式,通过定义对应的辅助函数导出了有应用价值的偏导数等式和熵方程。利用建立的电磁热力学理论分析了热电效应和压电效应等过程,总结了电磁热力学研究方法。工作初步将电磁学和热力学相结合,对相关的理论以实验研究有一定的参考意义。

静电场作用下电介质系统的平衡态及其稳定性

热力学平衡态是系统能量最低状态,在没有外界作用的条件下任何非平衡态最终都会趋向平衡态,热力学系统只有在平衡态才能用统一的状态参量来描述。电磁场能够有效地强化传热传质过程,对电介质系统的平衡及其稳定性有明显的作用。利用热力学定律将电场能量引入热力学基本微分式,构建了电场作用下电介质系统的熵函数,利用平衡态及其稳定性的熵判据导出了静电场作用下电介质系统的平衡条件及稳定条件。相比没有电场作用,平衡条件要求系统各相的等效压强、等效化学势和平行极板间电场强度相等;稳定条件要求产生电场的电荷量与电势呈正比。电场作用下的等效压强包括了电场极化作用的力学效果,力学平衡由压强和电极化力共同决定;等效化学势包括了电场极化势能的效果,相平衡由浓度和电势能共同决定。热力学结论与电动力学及统计物理的结论一致,已被实验证实。

势容损耗及熵产与导热优化

热量传递势容(势容)反映了物体的导热能力,在导热过程中势容有损耗,对应于势容损耗最小的导热过程效率最高,传热速率最大。熵反映了过程的可逆性,在导热过程中熵有增加(熵产),对应于熵产最小的过程是 损失最小的过程,这种过程最大程度地保持了系统作有效功的能力。讨论了势容损耗和熵产在导热优化中的作用,以圆形导热管为例,分析了这两种优化目标函数的差异。

微观sdg相互作用玻色子模型中的电磁跃迁

在微观ｓｄｇ相互作用玻色子模型的框架内阐述了研究原子核电磁跃迁性质的玻色子方法和费米子方法。