本文關(guān)鍵詞：熱交叉現(xiàn)象廣義場協(xié)同與熱力學(xué)耦合

  更多相關(guān)文章： 全相位熵產(chǎn)率方程 廣義場協(xié)同 熱力學(xué)耦合 熱交叉過程

【摘要】：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)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)的兩種廣義場協(xié)同模式,即熱流與電流方向相同時的Thomson放熱效應(yīng),熱流與電流方向相反時的Thomson吸熱效應(yīng)。熱流與電流中一個為自發(fā)過程,另一個為非自發(fā)過程存在兩種熱力學(xué)耦合模式,即自發(fā)熱流驅(qū)動非自發(fā)電流的Seebeck效應(yīng),自發(fā)電流驅(qū)動非自發(fā)熱流的Peltier效應(yīng)。另外,對于簡單磁介質(zhì)系統(tǒng),給出了熱磁致熱效應(yīng)與熱磁致冷效應(yīng)所滿足的兩種熱力學(xué)耦合模式。
【關(guān)鍵詞】：全相位熵產(chǎn)率方程 廣義場協(xié)同 熱力學(xué)耦合 熱交叉過程
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第1章 緒論12-40
• 1.1 自然界的熱交叉現(xiàn)象12-25
• 1.1.1 熱質(zhì)交叉現(xiàn)象與流動換熱強(qiáng)化14-20
• 1.1.2 熱電交叉現(xiàn)象20-23
• 1.1.3 熱磁交叉現(xiàn)象23-25
• 1.2 孤立系統(tǒng)中的有序化與非自發(fā)過程25-34
• 1.2.1 生命系統(tǒng)的有序化27-29
• 1.2.2 非生命系統(tǒng)的有序化29-32
• 1.2.3 有序化結(jié)構(gòu)的形成及其動力學(xué)條件32-34
• 1.3 孤立系統(tǒng)中的非自發(fā)過程與熱力學(xué)耦合34-37
• 1.4 熱交叉現(xiàn)象中面臨的理論問題37-38
• 1.5 本論文的研究內(nèi)容38-40
• 第2章 熱交叉作用廣義場協(xié)同與熱力學(xué)耦合的相位描述40-69
• 2.1 孤立系統(tǒng)中的有序化與非自發(fā)過程40-41
• 2.2 Onsager倒易關(guān)系與系統(tǒng)漲落41-46
• 2.3 非平衡態(tài)熱力學(xué)穩(wěn)定性與有序化的非線性特征46-61
• 2.3.1 線性區(qū)域的熱力學(xué)穩(wěn)定性47-51
• 2.3.2 非線性區(qū)域的熱力學(xué)穩(wěn)定性51-61
• 2.3.3 非線性過程熵產(chǎn)率的線性表述61
• 2.4 線性非平衡態(tài)熵產(chǎn)率方程的全相位拓展61-65
• 2.5 基于最小熵產(chǎn)原理的廣義場協(xié)同與熱力學(xué)耦合65-67
• 2.6 能量傳遞轉(zhuǎn)換的相位特征67-68
• 2.7 小結(jié)68-69
• 第3章 熱交叉的熱力學(xué)耦合模式及廣義Carnot定理69-79
• 3.1 邊界熱流的散度描述70-71
• 3.2 熱交叉的全相位熵產(chǎn)率方程71-73
• 3.3 熱力學(xué)耦合模式及廣義Carnot定理73-75
• 3.4 幾種熱交叉效應(yīng)及其解釋75-77
• 3.4.1 熱化學(xué)效應(yīng)75-76
• 3.4.2 熱磁效應(yīng)76
• 3.4.3 熱質(zhì)交叉的溫升效應(yīng)76-77
• 3.5 小結(jié)77-79
• 第4章 流動換熱過程的熱質(zhì)交叉效應(yīng)及其熱力學(xué)原理79-90
• 4.1 流動換熱的熱流散度方程80-82
• 4.2 流動換熱強(qiáng)化的廣義場協(xié)同及熱力學(xué)耦合分析82-84
• 4.3 流動換熱強(qiáng)化的最小熵產(chǎn)原理84-86
• 4.4 順逆流換熱過程的熱力學(xué)分析86-89
• 4.4.1 順流換熱的廣義場協(xié)同與熱力學(xué)耦合87-88
• 4.4.2 逆流換熱的廣義場協(xié)同與熱力學(xué)耦合88-89
• 4.5 小結(jié)89-90
• 第5章 地幔對流的熱質(zhì)交叉效應(yīng)及其在廣義位勢能空間的描述90-98
• 5.1 地幔對流90-91
• 5.2 廣義位勢能空間的傳遞及轉(zhuǎn)換原理91-94
• 5.2.1 廣義位勢能空間廣延量的傳遞91
• 5.2.2 廣義位勢能空間熱交叉過程的表述91-94
• 5.3 地幔對流的熱力學(xué)分析94-96
• 5.3.1 地幔對流的能量方程94-96
• 5.3.2 地幔對流誘發(fā)地震的熱力學(xué)解釋96
• 5.4 小結(jié)96-98
• 第6章 熱電與熱磁交叉效應(yīng)的廣義場協(xié)同與熱力學(xué)耦合98-115
• 6.1 熱磁交叉效應(yīng)的熱力學(xué)分析100-103
• 6.1.1 基于狀態(tài)方程的熱磁交叉效應(yīng)分析100-103
• 6.1.2 熱磁交叉效應(yīng)的熱力學(xué)耦合原理103
• 6.2 熱電交叉效應(yīng)的熱力學(xué)分析103-113
• 6.2.1 基于唯象方程的熱電交叉效應(yīng)分析105-109
• 6.2.2 熱電交叉效應(yīng)的廣義場協(xié)同與熱力學(xué)耦合109-113
• 6.3 小結(jié)113-115
• 結(jié)論與展望115-117
• 參考文獻(xiàn)117-126
• 致謝126-127
• 附錄A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄127

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本文編號：786041