有限时间热力学理论的特征及发展中几个重要标志

有限时间热力学是经典热力学的延伸和推广 ,是现代热力学理论的一个新分支 .主要研究非平衡系统在有限时间中能流和熵流的规律 .它既不同于 2 0世纪 30年代建立起来的不可逆热力学 ,又不同于工程热力学 ,有它自己鲜明的理论特征 .现已广泛地应用于物理、化学和工程热物理等许多学科领域 ,建立了一系列相应的新理论 .在有限时间热力学的发展过程中 ,内可逆卡诺循环模型、最大功率输出时的效率、基本优化关系、内可逆循环统一理论、不可逆循环理论等方面的研究起到了极其重要的作用 .文中还结合相关的问题简述我们组在有限时间热力学研究中所做的部分工作和特色 .

对水滴表面蒸发的一种非平衡热力学方法

引言叶面上的水滴蒸发是农业气象上一个重要的自然现象,对于这个问题近年来有深入的研究.Leclerc等(1985)应用一种能量平衡方法模拟了人造大豆叶片上的水滴蒸发.Leclerc等(1986)推导出一个用于摆动叶片上半球形水滴蒸发的表达式,与根据传输理论所计算的自由空间中球形水滴的传输系数相比。

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。本文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。

非恒稳含时电极过程中涨落-耗散的电化学效应——恒电势滴汞电极体系的随机热力学模型

以滴汞电极体系为模型 ,对非恒稳恒电势动态不可逆电极过程中的耗散 -涨落效应进行了系统的研究 .基于滴汞电极体系的电化学特征 ,提出了一个简化的含时随机热力学模型 ,从而可能对这类重要的含时物理化学过程进行涨落和耗散的定量分析 .借助该简化的模型 ,成功地建立了恒电势滴汞电极过程的基本随机热力学公式 ,由此推出耗散 -涨落效应的理论极谱曲线 .在滴汞电极生长缓慢及扩散步骤严重滞后情况下 ,含时的滴汞电极过程将趋于在有效扩散层厚度演化的慢流型上的准定态过程 .在这种准定态近似下 ,具体分析了涨落对极谱曲线的影响 .结果表明 ,在涨落影响可以忽略的近平衡区 ,从耗散 -涨落导出的极谱方程与从平衡态 Nernst公式导出的极谱方程完全吻合 .还计算了一个涨落诱导的极谱曲线偏离的典型范例 .

两级热电热泵的有限时间热力学分析

建立了考虑外部传热影响的两级半导体热电热泵模型 ,用有限时间热力学对牛顿传热规律下两级半导体热电热泵的性能进行分析 ,导出了供热率、供热系数与工作电流的一般关系式 ,得到了热电单元数的最优分配 ,并分析了多种因素对其性能的影响。

论热力学与进化论统一的探索之路(二)

本文介绍了热力学与进化论描绘的相互矛盾、截然相反的世界前景以及恩格斯对"热寂论"的批判和对世界前景的预言。用耗散结构理论阐述了热力学与进化论的矛盾和统一的探索过程,批驳了"热寂论"和麦克斯韦的理论。

纳滤分离机理模型的研究进展

近年来,纳滤(Nanofiltration,NF)分离技术广泛应用在物料分离、水处理等领域.对NF分离机理的认识是能够准确预测NF分离性能的理论基础.本文从历史发展的角度回顾了用于解读和预测NF分离性能的非平衡热力学模型、结构模型及其他模型.结构模型包括细孔模型、固定电荷模型、空间电荷模型、静电位阻模型、道南位阻模型与道南位阻-介电排斥模型等.总结了各模型的特点、发展及其在NF分离机理解读和性能预测方面的应用.随着分析仪器和计算机技术的进步,未来NF分离机理和理论的研究应着重于将结构模型和人工智能模型相结合,针对各种复杂的NF分离体系开展膜分离性能预测和膜材料的设计优化,以期能进一步推动NF膜的精准构筑,从而拓展其应用场景.

自蔓延高温合成过程中的非平衡问题

自蔓延高温合成(SHS)技术是一门新兴的学科,因其独特的优越性而备受材料科学家的关注。在简要介绍自蔓延高温合成技术的基础上,系统地阐述了SHS过程中的非平衡现象,重点分析了非平衡现象的影响因素及SHS非平衡理论的研究进展,并对SHS非平衡研究作了简要评价,提出了目前存在的问题和未来SHS的研究方向。

系统的能谱、温度和熵的演化(Ⅱ)——非平衡系统

对正、负能谱中 ,非平衡系统的演化规律间的互补对应进行了基础性探讨 .

与非平衡问题相关的尺度效应:场与微粒

纳米技术的出现,使我们有必要更好地了解,在原子水平上材料微结构的变化是如何影响和控制着材料的宏观性能。这一挑战涉及到许多以前不曾考虑和不曾了解的现象.其中,位错理论的基础现在知道是有问题的.宏观尺度下采用的简化假设,也许不能用于微观和纳米尺度。尺度效应的含义,涉及到物理系统的非均质和非平衡特性。宏观尺度下的均匀与平衡特性,在材料的物理尺度减少到微米量级时就不再保持了。这些基本观点不能够为了方便而随意到处使用,因为这会改变预测的结果。更令人不满的是在建立物理模型时缺乏一致性。由此产生的问题是在确定制造过程中的有关参数时无能为力,导致由于成本过高而不切实际的终端产品。先进的复合材料和陶瓷材料就存在这样的问题,本文将要讨论的是在原子尺度与连续介质尺度下应用理论模型时存在的潜在问题,而不是去揭示自然的真相。主要讨论微粒,均匀连续介质或者两者的结合,尺度效应问题当前的发展趋势,趋向于在有或者没有时间效应的情况下寻找材料微结构的不同特征尺寸,从原子模拟模型中将了解到许多情况,原子模拟计算将揭示计算结果如何随着边界条件和尺度变化而不同。量子力学,连续介质力学和宇宙模型证明,没有普遍适用的方法,当前的主要兴趣也许是针对多尺度物理问题在技术上建?

剪切变形下非晶态高聚物的力学行为

基于非平衡态热力学理论,提出了一个适用于不可压材料的新的热粘弹性本构模型· 该模型将橡胶弹性理论中的非高斯分子网络模型推广到计及粘性和热效应的情形· 通过引入一组二阶张量形式的内变量,建议了一个新的Helmholtz自由能表达式,从而可以用来合理描述内变量的演化规律· 根据以上模型,重点研究了热粘弹性材料在简单剪切变形下的力学行为,考察了由于分子链取向分布的变化而产生的"粘性耗散诱导"各向异性。

应力场与电磁场中非平衡系统的熵密度增率

鉴于黑白图象被彩色化后能大大提高其分辨率以及密度假彩色化方法越来越广泛的在科研和生产当中的应用，我们在1983年将我系张静江、王书颖、刘大禾等同志在1982年研究成功的“光栅编码位相型图象的假彩色化”方法排成一个新实验，安排在学生的光学专业选修课及进修教师的实验课中。

离子液体捕集二氧化碳非平衡热力学研究方法学探讨

介绍了应用非平衡热力学研究离子液体捕集二氧化碳(CO2)动力学的思路,分析了其成功应用需解决三大关键科学难题,即可靠的热力学模型,界面传递速率描述以及准确的通量数据.其中,准确通量数据的获得需要可靠的实验动力学数据和离子液体捕集CO2过程传递面积的有效考察.在此基础上系统地总结了该三大关键科学问题最新的研究进展和分析后续开展的工作,并对离子液体捕集二氧化碳非平衡热力学研究提出展望.

非平衡热力学中传热过程熵产表达式的修正

熵产是非平衡热力学中的核心物理量,传统上表示为广义力(驱动力)与广义流的乘积.这种表达存在两方面缺陷:一是广义力与广义流的拆分具有任意性;更重要的是,以其计算热波传递时熵产可以为负值,从而违反热力学第二定律.本文基于热质理论分析表明,传热过程的熵产实质上是由热质流体的热质能耗散引起的,所以熵产中的力不是驱动力而是阻力,并且具有力的量纲.由此提出的熵产修正表达式,不仅在计算热波传递过程中熵产恒为正值,与扩展不可逆热力学中的熵产表达式一致,而且不存在力和流拆分的任意性.

非平衡系统热力学和随机理论

本书是由世界科技出版社出版的《统计物理学进展》系列丛书中的第八卷。这套书涉及了当今科学界具有极大推动力的基础学科，突出介绍了统计物理学研究中的最新进展。

线性柱色谱分离过程的递推方程

依据非平衡热力学分离理论中的局域平衡假设和流体力学的Lagrangian描述方法 ,首次提出了线性柱色谱分离过程中溶质带迁移和扩散的状态递推方程 ,克服了以经典动力学为基础的塔板理论不能准确预测时变控制条件下溶质扩散的局限性 .反相色谱梯度洗脱的实验数据支持递推方程的理论预测 ,与基于塔板理论的预测方法比较 ,状态递推方程法更具优越性 .

从色谱分离到智慧医疗所涉及共同的数学物理本质:不可逆性

溶质带中的众多分子在固定相-流动相环境中的色谱分离过程能够类比成疾病高危人群在多种暴露因素的疾病严重程度排序。色谱过程和机器疾病诊断-医嘱的共性在于对成分或个体疾病状态的分离或分类,二者都表现出随时间演化的不可逆性,但前者属于线性非平衡热力学而后者属于耗散结构的非线性非平衡热力学。当将科学视野从药物检测和制备扩展到循证医学、离散数学(公理集合论、概率测度)、人工智能(AI)-云计算领域时,对流-扩散方程和非平衡热力学中的不可逆性就成了色谱分离和智慧医疗两个交叉领域的共同的、核心的数学物理本质。抓住不可逆性这一学科间的共性特征,构建和发展这两个领域统一的、全覆盖的数学构架,具有深远的科学和现实意义。

含振动能激发Boltzmann模型方程气体动理论统一算法验证与分析

为模拟研究高温高马赫数下多原子气体内能激发对跨流域非平衡流动的影响,将转动能、振动能分别作为气体分子速度分布函数的自变量,把转动能和振动能处理为连续分布的能量模式,将Boltzmann方程的碰撞项分解成弹性碰撞项和非弹性碰撞项,同时将非弹性碰撞按一定松弛速率分解为平动-转动能松弛过程和平动-转动-振动能松弛过程,构造了一类考虑振动能激发的Boltzmann模型方程,并证明了其守恒性和H定理.基于内部能量变量对分布函数无穷积分,引入三个约化速度分布函数,得到一组考虑振动能激发的约化速度分布函数控制方程组,使用离散速度坐标法,基于LU-SGS隐式格式和有限体积法求解离散速度分布函数,建立含振动能激发的气体动理论统一算法.通过开展高稀薄流到连续流圆柱绕流问题统一算法与直接模拟蒙特卡罗法模拟结果对比分析,特别是过渡流区平动、转动、振动非平衡效应对绕流流场与物面力热特性的影响机制,证实了所建立的含振动能激发的Boltzmann模型方程及气体动理论统一算法的准确可靠性.

普里高京与耗散结构理论

用普通物理学语言阐述了现代非平衡热力学和非平衡统计物理中的一门新理论———耗散结构理论 ,指出了耗散结论理论给予我们的启示 。