热交叉现象广义场协同与热力学耦合

摘要

自然界存在大量的热质、热电及热磁交叉现象，其本质是传热过程与广义做功过程之间的交互作用。基于Onsager倒易关系(Onsager reciprocal relation）的经典线性非平衡态热力学的熵产率方程，只反映了交叉现象中同阶张量过程之间的弱相互作用，没有考虑孤立系统中导致时空有序化的非自发过程发生的可能。
　　本文通过分析导致有序化的非自发过程与非平衡态热力学稳定性之间的关系，证明了时空上的有序化只可能出现在远离平衡的非线性区域。若非线性变化引起的熵产率由对称部分与反对称部分构成时，当其中的反对称部分熵产率的积分平均近似为零时，对称部分的熵产率可代表整个非线性变化的熵产率，这时不但最小熵产原理能够得到满足，而且非线性过程可以通过反映线性过程的熵产率方程进行描述，
　　首次在热力学中引入了相位的概念，建立了蕴含非自发过程的全相位熵产率方程，既适用于线性非平衡热力学过程，又适用于反对称部分的平均熵产率为零的非线性非平衡热力学过程。不同相位关系决定了热力学过程为自发或非自发的性质，基于全相位熵产率方程，进一步分析了两个热力学过程构成的孤立系统中，满足熵产最小原理时存在的两种热力学机制，即当两个热力学过程均为自发过程时的广义场协同机制；当一个为自发过程，另一个为非自发过程时的热力学耦合机制。
　　提出了广义Carnot定理及其两种基本模型，即传热过程为自发过程，广义做功过程为非自发过程时的广义热机模型，以及传热过程为非自发过程，广义做功过程为自发过程时的广义热泵模型。当Carnot定理热功转换过程的非线性熵产由对称部分与反对称部分构成时，不考虑热功转换过程的能量耗散，相当于视反对称部分的平均熵产率为零，这时对称部分的熵产率就表现为线性关系，所以，Carnot定理的本质为传热过程与广义做功过程之间的热力学耦合，其热功转换是通过非线性的熵流震荡来实现的。
　　分析了强制对流过程的热质交叉现象，建立了反映其交叉机制的热流散度方程，揭示了传热与传质过程的交叉所蕴含的两种热力学机制。当流体向壁面放热时满足广义场协同机制，两种热力学流之间的夹角越小，换热强度越大。当流体从壁面吸热时满足热力学耦合机制，两种热力学流之间的夹角越大，换热强度越大。流动换热过程的两种热力学机制，不但揭示了场协同理论中速度矢量与温度梯度矢量最小夹角与最大夹角的不同物理意义，而且给出了逆流换热过程熵产悖论的合理解释。
　　对于地幔自然对流过程的热质交叉现象，在广义位势能空间建立了孤立系统内热交叉过程的熵产率描述，揭示了地幔热对流的本质是地幔中自发传热过程对地幔机械运动过程的驱动效应，机械能的大小即流体机械运动的强度，不但与温差大小，而且与地幔向地表热量释放功率大小有关，从地幔对流所导致的板块移动与地震产生之间的因果关系，从全新的角度给出了包括火山喷发、地壳板块表面大坝的渗透及板块缝隙注水等地震诱发因素的热力学解释。
　　对于热电与热磁交叉现象进行了一般性的热力学分析。建立了反映热电交叉效应的热流散度方程，对三种热电交叉效应给出了新的热力学解释。热流与电流均为自发过程时Thomson效应表现的两种广义场协同模式，即热流与电流方向相同时的Thomson放热效应，热流与电流方向相反时的Thomson吸热效应。热流与电流中一个为自发过程，另一个为非自发过程存在两种热力学耦合模式，即自发热流驱动非自发电流的Seebeck效应，自发电流驱动非自发热流的Peltier效应。另外，对于简单磁介质系统，给出了热磁致热效应与热磁致冷效应所满足的两种热力学耦合模式。

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第1章 绪 论

1.1 自然界的热交叉现象

1.2 孤立系统中的有序化与非自发过程

1.3 孤立系统中的非自发过程与热力学耦合

1.4 热交叉现象中面临的理论问题

1.5 本论文的研究内容

第2章 热交叉作用广义场协同与热力学耦合的相位描述

2.1 孤立系统中的有序化与非自发过程

2.2 Onsager倒易关系与系统涨落

2.3 非平衡态热力学稳定性与有序化的非线性特征

2.4 线性非平衡态熵产率方程的全相位拓展

2.5 基于最小熵产原理的广义场协同与热力学耦合

2.6 能量传递转换的相位特征

2.7 小结

第3章 热交叉的热力学耦合模式及广义 Carnot定理

3.1 边界热流的散度描述

3.2 热交叉的全相位熵产率方程

3.3热力学耦合模式及广义Carnot定理

3.4 几种热交叉效应及其解释

3.5小结

第4章 流动换热过程的热质交叉效应及其热力学原理

4.1 流动换热的热流散度方程

4.2 流动换热强化的广义场协同及热力学耦合分析

4.3 流动换热强化的最小熵产原理

4.4顺逆流换热过程的热力学分析

4.5小结

第5章 地幔对流的热质交叉效应及其在广义位势能空间的描述

5.1 地幔对流

5.2 广义位势能空间的传递及转换原理

5.3地幔对流的热力学分析

5.4 小结

第6章 热电与热磁交叉效应的广义场协同与热力学耦合

6.1 热磁交叉效应的热力学分析

6.2 热电交叉效应的热力学分析

6.3 小结

结论与展望

参考文献

致谢

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