非平衡態(tài)熱力學(xué)研究

目錄1、緒論2、非平衡態(tài)熱力學(xué)2.1局部平衡假說(shuō)2.2熵產(chǎn)率與熵源強(qiáng)度

2.3熵方程

2.4熱熵流和質(zhì)熵流

2.5熵產(chǎn)率和熵源強(qiáng)度

2.6線性唯象方程

2.7昂色格倒易定律3、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索4、總結(jié)1、緒論

最早研究不可逆過(guò)程的學(xué)者可以追溯到1854年的湯姆遜（即開(kāi)爾文爵士）。他在分析熱電現(xiàn)象時(shí)，將整個(gè)過(guò)程分為可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程的兩個(gè)部分，對(duì)不可逆部分不予考慮，而將平衡熱力學(xué)的定律應(yīng)用與可逆部分。雖然所得結(jié)果與以后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，但這種方法顯然不合理。后來(lái)，1876年亥姆霍茨分析擴(kuò)散，1889年能斯脫分析磁場(chǎng)溫度變化引起電勢(shì)也都用了與湯姆遜類(lèi)似的方法。

1931年，昂色格根據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)提出了著名的昂色格倒易定律使得不可逆過(guò)程熱力學(xué)真正成為熱力學(xué)一個(gè)分支。后來(lái)，普利高京提出了不平衡態(tài)的耗散結(jié)構(gòu)理論，證明了在遠(yuǎn)離平衡區(qū)有可能發(fā)生從無(wú)序轉(zhuǎn)為有序的過(guò)程。由于昂色格和普利高京的這些重大貢獻(xiàn)，他們分別于1968年和1977年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1、緒論

不可逆過(guò)程熱力學(xué)的理論確立很短，但發(fā)展很快，許多理論和應(yīng)用還在不斷補(bǔ)充和發(fā)展之中。

對(duì)以下理論和概念進(jìn)行闡述：

1、局部平衡假說(shuō)；2、熵產(chǎn)率；3、線性唯象方程；4、昂色格倒易定律2、非平衡態(tài)熱力學(xué)1、我們將把處理平衡態(tài)熱力學(xué)的方法應(yīng)用于不平衡態(tài)熱力學(xué)。這種將平衡概念擴(kuò)展到不平衡過(guò)程的熱力學(xué)，有時(shí)候?qū)⑵浞Q(chēng)為不平衡熱力學(xué)。2、一個(gè)不平衡系統(tǒng)內(nèi)部到處是不均勻的，怎樣才能將通常描述平衡態(tài)的熱力參數(shù)用來(lái)描述不平衡系統(tǒng)呢？2.1局部平衡假說(shuō)2、非平衡態(tài)熱力學(xué)

廣義熱力學(xué)認(rèn)為，只要偏離平衡態(tài)不遠(yuǎn)就可以這樣做。方法是將整個(gè)系統(tǒng)分為若干個(gè)子系統(tǒng)，或局部系統(tǒng)，而這些子系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件：

1）不能太大，以保證子系統(tǒng)物性可看作是均勻的，內(nèi)部不存在各種梯度。

2）不能太小，以免無(wú)法用宏觀方法處理。

3）弛豫時(shí)間，即由非平衡態(tài)變?yōu)槠胶鈶B(tài)所需的時(shí)間要短。

當(dāng)滿足這些條件時(shí)，這些子系統(tǒng)內(nèi)部就可認(rèn)為處于平衡態(tài)了，因而可將熱力平衡中的研究方法應(yīng)用于這些子系統(tǒng)。1、熵的定義：用來(lái)表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度，能量分布得越均勻，熵就越大。一個(gè)體系的能量完全均勻分布時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)的熵就達(dá)到最大值。這是1850年，德國(guó)物理學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏故状翁岢鲮氐母拍睢?、熵增原理在經(jīng)典熱力學(xué)中，孤立系統(tǒng)的熵增原理指出：由于系統(tǒng)不可逆，則系統(tǒng)熵增，熵增量是不可逆程度的衡量標(biāo)志。所以熵增量是一個(gè)及其重要的概念。2.2熵產(chǎn)率與熵源強(qiáng)度2、非平衡態(tài)熱力學(xué)熵方程熵的變化主要有兩部分構(gòu)成：由于和外界進(jìn)行相互作用所引起的熵變化，稱(chēng)為“熵流”，由系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熵增量，稱(chēng)為“熵產(chǎn)”。

熵方程為2、非平衡態(tài)熱力學(xué)2.3熵方程注：對(duì)于孤立體系，熵流為02.4熱熵流和質(zhì)熵流2、非平衡態(tài)熱力學(xué)2、非平衡態(tài)熱力學(xué)式中t為時(shí)間2.5熵產(chǎn)率和熵源強(qiáng)度單位體積的熵源強(qiáng)度，可進(jìn)行如下表示：2、非平衡態(tài)熱力學(xué)2、非平衡態(tài)熱力學(xué)引例1導(dǎo)熱傅里葉定律2.6線性唯象方程2、非平衡態(tài)熱力學(xué)引例2擴(kuò)散斐克定律2、非平衡態(tài)熱力學(xué)由上面兩個(gè)例子可得與D主要與物料有關(guān)，它們被稱(chēng)作“流”，而稱(chēng)為這種流的共軛力。流與共軛力的關(guān)系可表示為：

J=LX

線性關(guān)系稱(chēng)為線性唯象關(guān)系式，系數(shù)L為常數(shù)，叫做唯象系數(shù)。2、非平衡態(tài)熱力學(xué)有經(jīng)驗(yàn)可知，許多現(xiàn)象是相互聯(lián)系的，產(chǎn)生某種流不一定只有它的的共軛力，有時(shí)候還有其他力。如，因濃度梯度固然影響了質(zhì)擴(kuò)散流，但若有溫度梯度存在，也會(huì)對(duì)擴(kuò)散產(chǎn)生影響，且影響質(zhì)擴(kuò)散流的這兩種力，有時(shí)候會(huì)互相影響。2、非平衡態(tài)熱力學(xué)有些力能與流耦合，有些力與流卻不能耦合。例如，傳熱和傳質(zhì)都不能與化學(xué)反應(yīng)耦合。對(duì)此引出居里定理：在一個(gè)各向同性的系統(tǒng)里，流與力的張量階數(shù)之差如果為奇數(shù)，則不能耦合。2、非平衡態(tài)熱力學(xué)對(duì)于不可逆過(guò)程，某一種流受多種力支配，可寫(xiě)成如下關(guān)系式：2、非平衡態(tài)熱力學(xué)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)自然唯象系數(shù)容易測(cè)得，而互唯象系數(shù)較難測(cè)得，實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)格地把某種因素從其他影響因素中隔離出來(lái)非常不易。昂色格對(duì)此作出了卓越的貢獻(xiàn)提出了昂色格倒易定律。2.7昂色格倒易定律2、非平衡態(tài)熱力學(xué)現(xiàn)假設(shè)在某一不可逆過(guò)程中有兩力，因而有兩個(gè)與之對(duì)應(yīng)的共軛流，能相互產(chǎn)生干涉，得2、非平衡態(tài)熱力學(xué)如果第一種流受到第二種力的影響，則第二種流也會(huì)受到第一種力的影響，這兩種互相耦合的耦合系數(shù)是相等。昂色格倒易定律適用于沒(méi)有磁場(chǎng)的影響和偏離平衡狀態(tài)不遠(yuǎn)的系統(tǒng)。有了昂色格倒易這個(gè)定律，就使得需要確定的互唯象系數(shù)大大減少，從而節(jié)省了大量的工作和時(shí)間，所以它具有重要的意義。TS=(Non

equilibriumthermodynamics)ORTS=(Thermodynamicsofirreversibleprocesses)

數(shù)據(jù)庫(kù)=SCI-EXPANDED,CPCI-S,CCR-EXPANDED,IC

時(shí)間跨度=2000-2014檢索數(shù)：3703.1WebofScience數(shù)據(jù)庫(kù)檢索報(bào)告3、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索3.1WebofScience數(shù)據(jù)庫(kù)檢索報(bào)告3、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索3、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索3、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索3.1WebofScience數(shù)據(jù)庫(kù)檢索結(jié)果及分析3、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索3.1WebofScience數(shù)據(jù)庫(kù)檢索結(jié)果及分析3、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索1.Thenonequilibriumthermodynamicsofsmallsystems作者:Bustamante,C;Liphardt,J;Ritort,FPHYSICSTODAY卷:58期:7頁(yè):43-48出版年:JUL2005被引頻次:2652.Nonequilibriumthermodynamicsofthiol/disulfideredoxsystems:Aperspectiveonredoxsystemsbiology作者:Kemp,Melissa;Go,Young-Mi;Jones,DeanP.FREERADICALBIOLOGYANDMEDICINE卷:44期:6頁(yè):921-937出版年:MAR152008被引頻次:1893.MAXIMUMTHERMIONICENERGYCONVERSIONEFFICIENCYBASEDONTHETHERMODYNAMICOFIRREVERSIBLEPROCESSES作者:BorisYA文獻(xiàn)號(hào):95134出版年:MAR312006被引頻次:1193.2WebofScience

TOP文獻(xiàn)4.Open-systemnonequilibriumsteadystate:Statisticalthermodynamics,fluctuations,andchemicaloscillations作者:Qian,HongJOURNALOFPHYSICALCHEMISTRYB卷:110期:31頁(yè):15063-15074出版年:AUG102006查看摘要查看摘要關(guān)閉摘要被引頻次:895.Usingthe2ndlawofthermodynamcistoquantipytheextrapowerrequiredforeachirreversibleprocessin

compressioncycleheatpumps作者:FrankWicksMechanicalEngineeringdepartment文獻(xiàn)號(hào):12308被引頻次：823、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索3.2WebofScience

TOP文獻(xiàn)6.Stabilizationofdistributedsystemsusingirreversiblethermodynamics作者:Alonso,AA;Ydstie,BEAUTOMATICA卷:37期:11頁(yè):1739-1755出版年:NOV2001被引頻次:677.Ananisotropicductiledamagemodelbasedonirreversiblethermodynamics作者:Brunig,MINTERNATIONALJOURNALOFPLASTICITY卷:19期:10頁(yè):1679-1713文獻(xiàn)號(hào):PIIS0749-6419(02)00114-6出版年:2003被引頻次:648.Linear-nonequilibriumthermodynamicstheoryforcoupledheatandmasstransport作者:Demirel,Y;Sandler,SIINTERNATIONALJOURNALOFHEATANDMASSTRANSFER卷:44期:13頁(yè):2439-2451出版年:JUL2001被引頻次:52

3、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索9.Nonequilibriumthermodynamicsandnonlinearkineticsinacellularsignalingswitch作者:Qian,H;Reluga,TCPHYSICALREVIEWLETTERS卷:94期:2文獻(xiàn)號(hào):028101出版年:JAN212005被引頻次:4810.Nonequilibriumthermodynamicsinengineeringandscience作者:Demirel,YA;Sandler,SIJOURNALOFPHYSICALCHEMISTRYB卷:108期:1頁(yè):31-43出版年:JAN82004被引頻次:43

3、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索3、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索

運(yùn)用熱力學(xué)第二定律確定熱泵每一個(gè)不可逆過(guò)程

簡(jiǎn)介在不可逆的過(guò)程的機(jī)械中將失去一部分功，這也就是說(shuō)，當(dāng)空調(diào)和熱泵的工作過(guò)程中有一定的額外功。第一定律是用于把所有熱力循環(huán)進(jìn)行求和計(jì)算，但是熱力學(xué)第二定律是要求額外功是不可逆循環(huán)較理想循環(huán)多做的功。然而，現(xiàn)存的文獻(xiàn)資料都沒(méi)有對(duì)于這些給出很好的例子。這篇文章將提供一個(gè)相關(guān)的例子，對(duì)于這將會(huì)給工程師們?cè)诳照{(diào)和熱泵的設(shè)計(jì)和分析提供幫助，也會(huì)給為學(xué)生編撰熱力學(xué)圖書(shū)的作者提供一些啟發(fā)。3.2WebofScience

TOP文獻(xiàn)3、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索

介紹熱泵的效率是由熱量傳遞的過(guò)程中被利用的比例所決定的。理想熱泵將能持續(xù)的從熱源中傳遞能量，這其中包含四個(gè)過(guò)程，比較而言，這四個(gè)過(guò)程，每一個(gè)過(guò)程都是可逆的。例如，眾所周知的卡諾循環(huán)，循環(huán)熱效率（COP）,它的發(fā)展源于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，熱源的溫度（Tc）和冷源（Th），由此可得到等式13、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索較以前的壓縮循環(huán)的四個(gè)過(guò)程來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在大多數(shù)熱泵都是通過(guò)電驅(qū)動(dòng)進(jìn)行壓縮循環(huán)的。每一個(gè)循環(huán)過(guò)程，將不是理想的，每一個(gè)過(guò)程將伴有額外功，這文章將探討伴隨非理想或不可逆過(guò)程的額外功的多少，這里所研究的是電驅(qū)使的熱泵。COP為熱能裝置性能系數(shù)3、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索

理論熱力學(xué)第一定律是基于能量守恒，熱力學(xué)第二定律是表明能量的品質(zhì)不相同。電能將較低溫物體的熱量來(lái)說(shuō)是一種較高品質(zhì)的能量。熵（S）提供了研究不可逆過(guò)程的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這將是一種簡(jiǎn)單且有效的標(biāo)準(zhǔn)。

I(Btu)=Tinf(R)*DeltaS(Btu/R)運(yùn)用熵的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分析和應(yīng)用熱力學(xué)第二定律，確定額外功和額外的花費(fèi)，每一個(gè)系統(tǒng)都是通過(guò)電來(lái)驅(qū)動(dòng)熱泵的。（Tinf為周?chē)h(huán)境溫度）應(yīng)用分析的第一步是確立和定義熱量傳輸?shù)哪Ｐ?，給出內(nèi)部和外界的溫度，溫度經(jīng)過(guò)不同的熱交換器在圖1中顯示出來(lái)。圖1建立一個(gè)溫度和熱量傳輸?shù)氖疽鈭D圖2給出了熱力循環(huán)的壓-焓圖接下來(lái)一步是附加有過(guò)熱器的熱泵循環(huán)的熱力圖在圖2中顯示出來(lái)。從圖2中我們可以獲得這一系統(tǒng)中有價(jià)值的一些點(diǎn)，再通過(guò)對(duì)表一的數(shù)據(jù)處理，尤其是把這些數(shù)據(jù)輸入電腦中，將更加直觀表1用氟利昂12相應(yīng)的熱能性能表熱量的傳遞是1000000Btu/h而有類(lèi)似性質(zhì)的氟利昂將是15442（1bm/hr)從而在表中將得到運(yùn)行的參數(shù)。表2根據(jù)熱力學(xué)第一定律和循環(huán)這將是非常有用的的用以評(píng)價(jià)電驅(qū)動(dòng)熱泵和理想循環(huán)之間的差異。這些對(duì)比將在表3中展示，展示出每一個(gè)過(guò)程每一小時(shí)的能耗和花費(fèi)表3電力驅(qū)動(dòng)熱系統(tǒng)能量和花費(fèi)1000000Btu/hr和每度電10美元

現(xiàn)在我們準(zhǔn)備運(yùn)用熱力學(xué)第二定律來(lái)分析，首先第一步先確定不可逆過(guò)程。由于一些微小因素的影響，我們?cè)谶^(guò)熱器、熱交換器和蒸發(fā)器中由于溫度的不同能量傳遞的過(guò)程中將會(huì)伴隨著熵的產(chǎn)生。表3熱交換系統(tǒng)中循環(huán)的冷端和熱端然而普遍熱痛的觀點(diǎn)是在蒸發(fā)器和節(jié)氣閥是