熱交叉現(xiàn)象廣義場協(xié)同與熱力學(xué)耦合.pdf

1、自然界存在大量的熱質(zhì)、熱電及熱磁交叉現(xiàn)象，其本質(zhì)是傳熱過程與廣義做功過程之間的交互作用?；贠nsager倒易關(guān)系(Onsager reciprocal relation）的經(jīng)典線性非平衡態(tài)熱力學(xué)的熵產(chǎn)率方程，只反映了交叉現(xiàn)象中同階張量過程之間的弱相互作用，沒有考慮孤立系統(tǒng)中導(dǎo)致時空有序化的非自發(fā)過程發(fā)生的可能。
　　本文通過分析導(dǎo)致有序化的非自發(fā)過程與非平衡態(tài)熱力學(xué)穩(wěn)定性之間的關(guān)系，證明了時空上的有序化只可能出現(xiàn)在遠(yuǎn)離平衡的非線

2、性區(qū)域。若非線性變化引起的熵產(chǎn)率由對稱部分與反對稱部分構(gòu)成時，當(dāng)其中的反對稱部分熵產(chǎn)率的積分平均近似為零時，對稱部分的熵產(chǎn)率可代表整個非線性變化的熵產(chǎn)率，這時不但最小熵產(chǎn)原理能夠得到滿足，而且非線性過程可以通過反映線性過程的熵產(chǎn)率方程進(jìn)行描述，
　　首次在熱力學(xué)中引入了相位的概念，建立了蘊含非自發(fā)過程的全相位熵產(chǎn)率方程，既適用于線性非平衡熱力學(xué)過程，又適用于反對稱部分的平均熵產(chǎn)率為零的非線性非平衡熱力學(xué)過程。不同相位關(guān)系決定了熱力

3、學(xué)過程為自發(fā)或非自發(fā)的性質(zhì)，基于全相位熵產(chǎn)率方程，進(jìn)一步分析了兩個熱力學(xué)過程構(gòu)成的孤立系統(tǒng)中，滿足熵產(chǎn)最小原理時存在的兩種熱力學(xué)機(jī)制，即當(dāng)兩個熱力學(xué)過程均為自發(fā)過程時的廣義場協(xié)同機(jī)制；當(dāng)一個為自發(fā)過程，另一個為非自發(fā)過程時的熱力學(xué)耦合機(jī)制。
　　提出了廣義Carnot定理及其兩種基本模型，即傳熱過程為自發(fā)過程，廣義做功過程為非自發(fā)過程時的廣義熱機(jī)模型，以及傳熱過程為非自發(fā)過程，廣義做功過程為自發(fā)過程時的廣義熱泵模型。當(dāng)Carnot

4、定理熱功轉(zhuǎn)換過程的非線性熵產(chǎn)由對稱部分與反對稱部分構(gòu)成時，不考慮熱功轉(zhuǎn)換過程的能量耗散，相當(dāng)于視反對稱部分的平均熵產(chǎn)率為零，這時對稱部分的熵產(chǎn)率就表現(xiàn)為線性關(guān)系，所以，Carnot定理的本質(zhì)為傳熱過程與廣義做功過程之間的熱力學(xué)耦合，其熱功轉(zhuǎn)換是通過非線性的熵流震蕩來實現(xiàn)的。
　　分析了強(qiáng)制對流過程的熱質(zhì)交叉現(xiàn)象，建立了反映其交叉機(jī)制的熱流散度方程，揭示了傳熱與傳質(zhì)過程的交叉所蘊含的兩種熱力學(xué)機(jī)制。當(dāng)流體向壁面放熱時滿足廣義場協(xié)同機(jī)

5、制，兩種熱力學(xué)流之間的夾角越小，換熱強(qiáng)度越大。當(dāng)流體從壁面吸熱時滿足熱力學(xué)耦合機(jī)制，兩種熱力學(xué)流之間的夾角越大，換熱強(qiáng)度越大。流動換熱過程的兩種熱力學(xué)機(jī)制，不但揭示了場協(xié)同理論中速度矢量與溫度梯度矢量最小夾角與最大夾角的不同物理意義，而且給出了逆流換熱過程熵產(chǎn)悖論的合理解釋。
　　對于地幔自然對流過程的熱質(zhì)交叉現(xiàn)象，在廣義位勢能空間建立了孤立系統(tǒng)內(nèi)熱交叉過程的熵產(chǎn)率描述，揭示了地幔熱對流的本質(zhì)是地幔中自發(fā)傳熱過程對地幔機(jī)械運動過程

6、的驅(qū)動效應(yīng)，機(jī)械能的大小即流體機(jī)械運動的強(qiáng)度，不但與溫差大小，而且與地幔向地表熱量釋放功率大小有關(guān)，從地幔對流所導(dǎo)致的板塊移動與地震產(chǎn)生之間的因果關(guān)系，從全新的角度給出了包括火山噴發(fā)、地殼板塊表面大壩的滲透及板塊縫隙注水等地震誘發(fā)因素的熱力學(xué)解釋。
　　對于熱電與熱磁交叉現(xiàn)象進(jìn)行了一般性的熱力學(xué)分析。建立了反映熱電交叉效應(yīng)的熱流散度方程，對三種熱電交叉效應(yīng)給出了新的熱力學(xué)解釋。熱流與電流均為自發(fā)過程時Thomson效應(yīng)表現(xiàn)的兩種廣