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热力学耦合现象的启示

已有 5749 次阅读 2011-2-25 14:55 |个人分类:三旋理论学习|系统分类:科研笔记| 平衡, 热力学, 非平衡

在王季陶老师的博客中介绍一一种现象,就是热扩散现象,见:最简单的热力学耦合复杂体系—热扩散
简单复述一下其所述试验步骤和现象:
1.有两种气体混合,在一定的温度下,会达到一个平衡状态。
2.在这个混合气体体系达到平衡状态后,让不同的区域保持在不同的温度下。
3.原来浓度均匀已经达到浓度平衡的2种气体,会重新分布,温度高的区域中分子量小的气体的浓度会加大,而温度低的区域中分子量大的气体浓度会加大。这说明,气体分子在温度梯度的作用下,会重新进行扩散,达到新的浓度分布稳定的状态,而在新的浓度分布状态稳定的状态中,整个体系的分子浓度是不平衡的,也就是,原来的浓度平衡态变成了浓度不平衡的状态了。
王季陶老师告诉我们,这种现象就是所谓的“热扩散”现象,我理解就是:在温度不均匀的情况下,已平衡的混合气体重新扩散,变得不平衡的现象。王季陶老师是用“热力学耦合”原理来解释这个现象的。
王老师在他的另一篇博文现代热力学的核心简单易懂中,肯定了我对“热力学耦合原理”的理解。我认为,理解“热力学耦合”原理并不难,只要抓住如下要点即可:
1.在扩散现象中存在“自发”和“非自发”的两种互逆的行为。其中自发的行为不需要外加能量并能向外输出能量,而非自发的行为需要外加能量才能进行。这很好理解:混合两种气体时,起先浓度不均匀的状态会自发地变成浓度均匀的状态,这个过程是不需要外加能量的;而热扩散现象中,本来两种气体浓度已经均匀的状态变为了都不均匀的状态,在这个变化的过程中,使得某种气体变得不均匀的过程,就一定要外加能量才能进行。
2.耦合发生:非自发过程需要的能量必定来自自发过程所释放的能量。这点道理其实也不难理解,只是如果和1连起来表达,就非常“拗脑”,导致理解困难。怎么理解呢?就是:在多过程混合发生的场景下,自发过程和非自发过程是同时发生的,自发过程释放出来的能量,正好可以供非自发过程所利用。
 
用热力学耦合原理来解释热扩散现象也是能理解的,理解的关键点是:
1.外界的温度起先是处处一致的,也就是平衡的,后来的温度是不一致的,有稳定的梯度的。
2.环境温度的变化不导致环境能量和体系能量的交互,也就是体系与外界不会因为温度的约束而获得对外界的能量输入或输出。体系自身的能量是守恒的。
3.在新的环境温度的约束下,体系内部启动了能量互换的耦合过程。当新的约束出现,一开始的浓度不均是如何产生的,暂不清楚,有点类似宇宙中的“无中生有”的过程,可以解释为一个“扰动”。于是浓度不均会导致自发过程的产生,自发过程放出的能量又供给非自发过程,非自发过程又使得浓度不均的状态得以维持,维持的浓度不均状态又反过来维持自发过程的进行。于是,当一定量的自发过程释放的能量恰好维持非自发过程需要的能量时,又恰好能平衡应对环境温度的约束。于是,体系出现一个动态的稳定状态。
 
热扩散现象是可以试验证实的,热力学耦合原理的解释也是通畅的。其中,恰好给我们展示了系统的稳定态和平衡态的关系。
如果说,当体系约束温度一致时的稳定态,就是平衡态的话。那么,当体系约束温度不一致时,体系在浓度分布上建立的新的稳定态就不是平衡态。这说明:在新的稳定态下,浓度的不平衡和外界约束温度的不平衡是相关联的。也就是说:是温度约束的不平衡引起了浓度分布的不平衡。
 
这猛然给了我一个启示:如果单从“稳定态”来考虑的话,也就是说,如果我们愿意变通一下对“平衡”的理解,接受“只要稳定了,就总体上平衡了”这种本来就很直观的理念的话,这时的“平衡”,既不是单独针对“温度约束”的,也不是单独针对“分子浓度”的,而是针对体系的某种综合因素来考虑的。
 
也就是说:如果我们找到了一种综合因素,能统一前后2种稳定态的认识的话,一定是这种综合因素在前后2种稳定态出现时,都是保持平衡的。这也就是说:对于综合因素而言,“浓度的不平衡”正好弥补了“温度的不平衡”对综合因素的影响,使得综合因素一直保持平衡,系统才得到新的稳定态。
 
这种综合因素会是什么呢?热力学耦合原理必定可以另外解释为某种综合因素的“守衡”。
 
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2 陈辉 王季陶

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