非平衡热力学

非平衡热力学是热力学的一个分支，研究那些不处于热力学平衡状态的系统。与假设研究系统处于平衡或接近平衡状态的经典热力学不同，非平衡热力学适用于更普遍的情况，考虑随时间的物质和能量流动。

介绍

在经典热力学中，系统通常在平衡状态下被研究。平衡时，系统的宏观性质不随时间变化。然而，许多现实世界的过程远非平衡，例如化学反应、生物过程和热传递。非平衡热力学提供了研究这些过程的工具和概念。

不连续热力学的基本概念

平衡与不平衡

理解平衡的常见方法是考虑放在房间里的热咖啡杯。开始时，咖啡的温度高于周围的空气，随着时间的推移，它失去热量直到达到与房间相同的温度。当温度达到平衡且没有进一步的净热交换时，系统被认为处于平衡状态。

相比之下，非平衡条件可以在咖啡被不断搅拌或被加热时观察到。这些是动态情况，宏观特性不断变化。

不可逆过程

非平衡热力学经常涉及不可逆过程。这些过程不能自行逆转。例如，热量从热物体流向冷物体而不需要外部功；这个过程是不可逆的，因为反向自然不会发生。要使热量从冷物体流向热物体，我们需要外部功（例如，冰箱）。

热力学力和通量

非平衡热力学中的一个基本概念是热力学力和流动之间的关系。热力学力是梯度，例如温度梯度、浓度梯度或化学势梯度，推动系统变化。流动表示诸如热量或物质在这些力的作用下的流动。

J = L * X

这里，J是通量，X是热力学力，L是响应系数，是描述系统响应的比例常数。

线性非平衡热力学

线性非平衡热力学是一个研究力和流动呈线性相关的系统的领域，这是接近平衡时的有用近似。在线性系统中，叠加原理适用，使数学分析更易处理。

在物理化学中的应用

化学反应

考虑一个简单的化学反应，其中反应物A和B结合形成产物C：

A + B → C

在非平衡状态下，A、B和C的浓度随时间变化。这些变化的速率可以通过反应动力学来描述。非平衡热力学提供了关于外部条件（如温度或压力）变化如何影响反应速率和方向的信息。

扩散

作为非平衡过程的扩散的日常例子是墨水在水中的扩散。初始局部化的墨水分子由于热运动而随机移动，导致扩散。这个过程由浓度梯度驱动，可以使用菲克定律研究。

上图中，墨水在水中扩散，展示了由浓度梯度驱动的扩散过程。

对流

对流是流体（气体和液体）内分子群体的整体运动，是另一种非平衡过程。在需要传递热量给流体的情况下（如在沸水中），对流很重要。在这里，产生对流电流，将热量从热源有效地转移。

此图示展示了一个对流单元，其中热量导致流体按圆形运动，从而实现高效热传递。

熵产生

在非平衡系统中，熵的产生是恒定的，这与熵为最大值且熵产生停止的平衡系统相对。热力学第二定律表明，孤立系统中的熵有增加的趋势，这与许多非平衡过程一致。

考虑冰在开放空气中融化；当这种情况发生时，没有与周围环境的净热交换，水（系统）和空气（周围）的熵增加，表明由梯度驱动的不可逆过程。

普里高津定理

伊利亚·普里高津进一步通过其最小熵产生定理理解了非平衡系统，该定理表明对线性系统而言，接近平衡时，熵产生率最小。该原则帮助理解和预测非平衡热力学中的过程方向。

生物系统与非平衡热力学

活系统是非平衡热力学系统的典型例子。它们是开放系统，与环境交换物质和能量，允许远离平衡的演变和维持。

新陈代谢

代谢途径包括细胞内一系列生化反应，需持续输入能量和物质。能量货币ATP的生产和消耗驱动这些过程，并维持远离平衡的状态。

体内稳态

体内稳态是一个生物学原则，活系统尽管外界变化仍能保持稳定的内部条件。此调节确保温度、pH值和离子浓度等变量得到控制，展示了非平衡热力学的关键作用。

非平衡热力学可用于分析这些高度调控且耗能的过程，并模拟生物体如何有效应对环境变化。

结论

非平衡热力学通过考虑真实世界过程的动态性质拓宽了传统热力学的范围。通过理解和应用非平衡热力学原理，科学家可以更好地描述和预测各种系统的行为，从简单的物理系统到复杂的生物有机体。

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