线性非平衡态热力学ppt课件.ppt

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1、1线性非平衡态热力学专题报告1主要内容二1热力学概述线性非平衡态热力学特征线性非平衡态热力学应用3参考文献422热力学概述热力学与其它学科相比,其显著特点是它的普遍适用性。近代其它学科是将研究对象越分越细，而热力学却采用了相反的办法—综合，研究宏观对象的共性。热力学从总体上看可分为：平衡态热力学和非平衡态热力学两大部分。非平衡态热力学并不抛弃经典热力学的基本结论，如热力学第二定律，而是给以新的解释和重要的补充。从而得到一个较完整的认识：（1）在平衡态附近，发展过程主要表现为趋向平衡态或与平衡态有类似行为的非平衡定

2、态，并总是伴随着无序的增加和宏观结构的破坏。3热力学概述（2）而在远离平衡的条件下，非平衡定态可以变得不稳定，发展过程可以经受突变，并导致宏观结构的形成和宏观有序的增加，这种认识不仅为弄清物理学和化学中的各种有序现象的起因指明了方向，更有助于人们对宏观过程不可逆性的本质及其作用的认识。非平衡态下的热力学系统以及与之相应的不可逆现象是大量存在的。因此，对非平衡态下的热力学系统的研究更具普遍意义。如果系统偏离平衡态不远,则为线性非平衡区。4VX线性非平衡态热力学特征1、唯象关系—流与力处于非平衡态的热力学体系，发生的

3、不只一种热力学力与流的不可逆过程，往往同时存在多种不可逆过程。这些过程会相互影响。一种热力学流不仅仅是产生该流的力的函数，还是其它热力学力的函数。例如：表明物质流与浓度梯度成正比的斐克定律，表明粘性应力与速度成正比的牛顿粘性定律，表明化学反应率和化学亲和力成正比的化学反应定律等都有类似线性关系，分别描述各不可逆过程规律，以上统称为线性唯(现)象定律。其共同特征可说明某种流与力(或势)的关系。用唯象关系表示为:J=XLJ—代表流，x—代表力，L—代表唯象系数。5线性非平衡态热力学特征唯象系数的性质唯象系数会受到各种

4、限制（1）第二定律限制由热力学第二定律，体系内部的熵变不可能小于零，因此，非平衡体系熵产生的唯象系数必须满足此要求。（2）空间对称限制(Curie原理)居里首先提出物理学上的对称性原理：在各向同性的介质中，宏观原因总比它所产生的效应具有较少的对称元素Prigogine把Curie对称原理延伸到热力学体系：即简单表述为力不能比与之耦合的流具有更强的对称性。空间对称限制原理对非平衡体系中的各不可逆过程之间的耦合效应给出了一定的限制。普里高金认为：非平衡体系中不是所有的不可逆过程之间均能发生耦合，在各向同性的介质中，不

5、同对称特性的流与力之间不存在耦合。6线性非平衡态热力学特征当两个不可逆过程同时发生,它们将相互干扰而引起交叉现象或藕合作用。一种流Jk原则上是体系中各种力Xl的函数。故：Jk=JkXll=0,1,2,对上式在平衡态附近作Taylor展开：若所有的不可逆过程都很弱，均接近于平衡态，则上式中所有的有关力X的高次项都很小，均可以忽略不计，于是有：2、昂色格倒易关系7线性非平衡态热力学特征令：称唯象系数昂色格于1931年提出:在上述唯象关系中,唯象系数如用矩阵写出,则矩阵是对称的,即：Lkl=Llk第k种流Jk

6、受到第L种力XL影响,第L种流JL也必定受到第k种力XK影响,并且相互影响的藕合系数相同。例如两种不可逆过程相互干扰时,可写成：L11、L22——称为自唯象系数，L12、L21——称为交叉唯象系数或干涉系数。则据昂色格例易关系：L21=L128线性非平衡态热力学特征这样，求解交叉唯象系数的实验数目可减少一半。它在非平衡热力学理论的发展过程中起着关键作用，是线性非平衡态热力学的奠基石。它最成功的例子是三维体系中导热的傅里叶定律。实验表明，接近平衡态时，热传导张量是对称的。93、最小熵产生原理最小熵产生原理：在非平衡

7、态的线性区(近平衡区)，系统处于定态时熵产生速率取最小值。为了讨论线性非平衡性质,，可从讨论总嫡产生与时间关系出发。总熵产生为：有下列性质：当：为（稳）定态情况。为离开定态情况。上式说明：线性非平衡区的系统随着时间的发展，总是朝熵产生减少方向进行，直到达到稳定态，此时熵产生不再随时间变化10线性非平衡态热力学特征图1：线性区总熵产生随时间的变化图1表明，在非平衡态的线性区，系统随着时间的发展总是朝着总熵产生速率减少的方向进行，直至达到定态。在定态熵产生速率不再随时间变化。时11线性非平衡态热力学特征图2：最小嫡产

8、生原理及稳定性示意图由最小熵产生原理得出结论：线性区非平衡定态是稳定的如图2X代表某状态变量，设体系已处于定态1，由于涨落(扰动)体系可偏离定态达到某个与时间有关的非定态2。根据最小熵产生原理，体系的熵产生会随时间减小，最后返回到与最小熵产生相对应的定态1。这种现象与力学中的“惯性”原理相似，因而又称“惯性”原理或“回归”原理。12线性非平衡态热力学特征由最小熵产生原理分