不可逆過程熱力學
正文
對於滿足局域平衡條件的系統,可以認為平衡態的各種熱力學函式仍適用於非平衡系統的局域體元中,熱力學函式之間的關係也保持有效。這樣,局域熵熵應為Sv=Sv({ρj})(i=1,2,…,n), (1)
式中{ρj}={(ρ1(r,t),ρ2(r,t),ρ3(r,t)…, ρn(r,t)}代表系統中各種物質的組分在t時刻的空間密度。如果是等溫等壓系統,局域熵同非平衡系統總熵的關係是。 (2)
(3)
上述方程的求解,因式(3)中的非線性函式fi({ρ})而變得困難。除了用近似方法進行計算外, 里雅普諾夫微分方程穩定性理論,是一個有用的工具。按照里雅普諾夫理論,對於式(3)如果能找到一個函式V=V({ρj}),在某個定態的空間密度{ρj0}附近具有V≥0、dV/dt≤0的性質[設V({ρj0})=0],則此定態是穩定的;反之,若V≥0,而dV/dt≥0,則該定態不穩定。函式V 稱里雅普諾夫函式。用穩定性理論可以簡潔地得到近平衡區和遠離平衡區不可逆過程熱力學的基本圖像。
近平衡區 是指在平衡態附近的區域。可以認為這裡作用力比較弱,所以“力”(如溫度梯度、濃度梯度等)同由它引起的“流”(如熱流、擴散流等)之間的關係,可以用線性關係近似地描述
, (4)
Lij=Lji, (5)
此關係稱為昂薩格倒易關係。因此,近平衡區也稱線性非平衡區,或簡稱線性區。在近平衡區或線性區,由於“力”和“流”的性質,可以引起各種具體效應,但非平衡系統最終要趨向穩定,這是其基本特性。這種特性曾被I.普里戈金以最小熵產生原理的方式給予表述。按照式(1)和式(3),在非平衡系統中局域熵的守恆方程是 , (6)
, (7)
。 (8)
。 (9)
遠離平衡區 此時非平衡系統“流”與“力”的關係通常是非線性的,所以也稱這一區域為非線性區。不可逆過程熱力學在遠離平衡區所討論的問題,是新結構形成的可能性,無序和有序的轉化等等,無論從理論和實踐上看,這些問題都有重要的意義。
在非線性區,系統的變化比線上性區複雜得多,但也有一定的規律。按照不可逆過程熱力學的一般討論,可以得到關係
dxP ≤0, (10)
這裡 dxP表示由力學改變而引起總熵產生隨時間變化的部分。可見,dxP總隨時間而減少。可以將式(10)寫得更為具體一些,即,







非線性區系統穩定性的問題,也可以用熵的二階變分δ2S 作為里雅普諾夫函式進行討論。在局域平衡條件下,有δ2S ≤0的性質。其隨時間的變化率


套用 在物理學、化學系統中,熱傳導、擴散、電導、化學反應等是一些基本的非平衡現象,套用不可逆過程熱力學的原理討論這些現象,可以得到有意義的具體結果。在一些非平衡系統中,常常存在著多種不可逆過程的交叉現象。例如,在混合物體系中,濃度和溫度均為非均勻時,就有熱傳導、擴散和它們的交叉效應。對於這些交叉效應,線上性區中,不可逆過程熱力學已有很好的套用。在非線性區中,這種套用的範圍更要廣一些,除了物理、化學系統外,還可以套用於生命系統和生態平衡等問題。目前主要討論的是流體、雷射、電子迴路、化學反應和生態等幾個典型的系統。討論的主要問題是自組織有序結構的形成、圖形的分類、非平衡相變的條件,以及在混沌現象中的自相似結構等等。對這些現象的研究,豐富了不可逆過程熱力學的內容。
不可逆過程熱力學是一個巨觀理論,它對於非平衡現象的解釋終究是有限度的。特別是熱力學理論無法闡明各種複雜結構的形成機制及系統的漲落特性,這些就需要更深入的理論──非平衡態統計物理學(見統計物理學)來完成。對這類基礎性問題的討論中,漲落理論和隨機過程的概念起著重要的作用。由多粒子體系的統計特性可以得到昂薩格倒易關係。隨機過程理論可以討論體系自發漲落與體系在外加強迫力作用下的巨觀回響之間的聯繫。對於遠離平衡現象,用隨機過程理論可以討論由於漲落的放大而引起非平衡系統的相變,導致新結構的產生。這些都能夠加深對非平衡現象的認識(見耗散結構)。