朱顶余 何沛平 著
2003，5，公布于熵信息复杂性网站
第二章 对“平衡态”等概念及
“热力学分类”的看法
一对“平衡态”的看法
热力学平衡态的表象定义是：在不受外界影响的条件下,
热力学系统的状态将长时间不随时间变化；而其本质定义是:
系统内或系统与外界的一切不平衡势均不存在。通常也可以说,
系统内的各点参量是均匀一致的,
尤其各点温度是一致的,
另外系统与外界不伴随熵流。
平衡态热力学是针对铅直高度不大的实验室范围内研究而得的，在这样的环境下(等势面)其绝热系统内达终极状态各点温度处处相等是完全正确的,
而前人对重力场中的绝热系统内达终极状态也认为各点温度应处处相等,
或者有的学者已意识到重力场对温度分布有影响,
但认为影响很小可以忽略不计,这些其实既没有精密的实验依据,
又没有严格的理论证明,
笔者认为这些认识是非常轻率的、值得怀疑的。
笔者通过理论推导和实验验证(第三、四章),重力场中的绝热系统内(可称为准孤立系统)存在着稳恒的温度梯度(依其参考高度递减), 一方面系统与外界不伴随熵流, 即不需外界付出耗散性代价(因为系统与外界是绝热封闭的)；另一方面系统内额定的温度梯度是稳定的, 不会因温差随时间变化而趋于均温,
为什么存在温差而又不出现传导热流呢？笔者认为：其原因是势函数梯度与温度梯度都是热流动力,
当两种动力平衡抵消时(势函数梯度对热流的动力方向由上向下,
而温度梯度对热流的动力方向由下向上),等价于系统内不平衡势是不存在的。过去,
人们通常只认为温差是热流动力,
而不知道重力场势差也是热流动力,
故把均温看着是平衡态的主要特征,
这实际上是片面地看问题。
有些学者把重力场中出现稳恒的温度梯度称为稳态,
并把这种状态称为非平衡定态。当对照平衡态定义后可知,重力场中的绝热系统(准孤立系统)内出现稳恒的温度梯度符合平衡态的表象及本质定义,仍应属平衡态,
而不能叫非平衡态,
因为非平衡态必须以负熵流为代价。为了有所区别,
笔者建议把在等势面上出现的均温的平衡态称为“狭义平衡态”(经典的“平衡态”),
而把重力场中出现稳恒的温度梯度的“平衡态”称为“广义平衡态”(见第六章比势焓平衡)
。对于封闭或开放系统,
当处于无力场空间或等势面上,
其出现的状态叫做“狭义非平衡态”(即为普里高津创立的“非平衡态”热力学),
而当处于重力场中时,
其出现的状态叫做“广义非平衡态”
(系统内的状态由温梯决定的熵产生及其熵流和重力场三类因素决定)。
力场中的平衡态系统内出现稳恒的温度梯度,
这是热力学面临的新课题,
因为自然界中的一切体系都浸泡在外力(或自身)
场中,
这是不能忽视而又必须追究的问题。
对平衡态等概念讨论列表如下：
| 类型 | 特点 | 成立条件 |
| 狭义平衡态 | 定态、无热流、无熵产、熵达极大值、必均温(温度平衡） | 出现于无力场空间或等势面上 |
| 广义平衡态 |
稳定、无热流、无熵产、熵达极大值、可有温度梯度 和密度梯度(比势焓平衡) |
适用于有力场空间或加速系统 |
| 狭义非平衡定态 |
稳定、有熵流、有熵产、熵未达极大值、有温度梯度和密度梯度(由熵流决定) |
出现于无力场空间或等势面上 |
| 广义非平衡定态 | 稳定、有熵流、可有熵产、熵未达极大值、均温或有温度梯度及有或无密度梯度(由比熵梯度决定) | 适用于有力场空间或加速系统 |
二. 对“热力学分类”的看法
相对性原理表明,
物理规律在所有惯性系(惯性定律能成立的参照系)都是相同的,
而从惯性系过渡到非惯性系时就不能保证其规律的不变,前人已公认的如力学、电磁学、光学在惯性系与非惯性系中其规律的表述有别,
这有大量的例证。今天,我们发现热力学规律也不例外,
在惯性系中(惯性系等效于无力场作用的自由空间或等势面上),
热力学体系遵循经典的热力学第零、第二定律及傅氏热流定律等；而在非惯性系中(力场等效于加速系统,
加速系统惯性定律不成立),
传统的平衡态原理及其相关的热力学定律是不适用的,
因为力场中孤立体系的终极态存在着稳恒的温度梯度而无热流,
其当属广义平衡态(比势焓平衡)。故可将经典的热力学称为惯性热力学,
而将注意力场效应的热力学称为非惯性热力学,
这就理顺了传统热力学与非惯性热力学的关系。总之,热力学体系的规律与其所处的参照系类型有关(具有相对性)。我们从事的课题侧重于非惯性热力学,
这是热力学一个新的分支。
对热力学分类图示如下：
| 热力学 | |||
| 惯性热力学
(适用于无力场空间或加速系统) |
非惯性热力学
(适用于有力场空间或加速系统) |
||
| 狭义平衡态（孤立系统）ds≥0
克劳修斯的熵增原理
|
狭义非平衡态封闭或开放系统、有熵流ds=dsi+dse
普里高津的耗散结构理论 |
广义平衡态 准孤立系统ds≥ds可逆
笔者改进后的熵增原理 |
广义非平衡态封闭或开放系统、有熵流,
待研究 |