Nonequilibrium Thermodynamics pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Demirel, Yasar

出品人:

頁數:408

译者:

出版時間:

價格:260

裝幀:HRD

isbn號碼:9780444508867

叢書系列:

圖書標籤:

• 非平衡熱力學
• 熱力學
• 統計物理
• 相變
• 輸運現象
• 復雜係統
• 熵
• 不可逆過程
• 開放係統
• 物理化學

經典力學的演進與前沿：結構、動力學與信息處理 導論：超越平衡態的視野 本書並非聚焦於孤立係統或穩態過程的經典理論，而是深入探討瞭當係統偏離熱力學平衡態時所展現齣的豐富、動態且往往是混沌的物理現象。我們立足於統計力學和經典場論的堅實基礎，旨在構建一個統一的框架，用以描述宏觀尺度上物質、能量和信息的不可逆流動與耗散機製。本書的敘事綫索將沿著從微觀粒子漲落到宏觀耗散結構的逐步展開展開，強調在有限時間尺度和有限空間尺度上，係統如何自發地組織起來，並展現齣超越簡單綫性的復雜行為。 第一部分：耗散係統的基礎構建 第一章：漲落與尺度的橋梁 本章首先迴顧瞭布朗運動的經典理論，並將其置於更廣闊的統計物理背景之下。我們著重分析瞭熱浴（heat bath）與係統的耦閤作用，探討瞭朗之萬方程（Langevin equation）的推導及其在描述粒子擴散和弛豫過程中的局限性。重點關注的是如何通過引入噪聲項來精確描述微觀隨機性如何轉化為宏觀的確定性趨勢。隨後，引入瞭漲落-耗散定理（Fluctuation-Dissipation Theorem, FDT）的核心思想，展示瞭係統對小擾動産生的響應（即耗散）與係統在平衡態下自發漲落之間的內在聯係。我們將通過詳盡的數學推導，說明FDT在不同物理情境（如粘滯性、電導率）下的普適性，並首次引入 Onsager 倒易關係，為後續不可逆過程的定量描述奠定基礎。 第二章：連續介質的不可逆過程 本章將經典熱力學第二定律提升至連續介質的場論描述。我們詳細考察瞭化學勢梯度、溫度梯度以及應力場如何驅動物質和能量的流動。核心在於建立能量耗散率的密度錶達式，並將其與熱流密度、擴散流密度以及應變率聯係起來。重點分析瞭傅裏葉定律、菲剋定律以及牛頓粘性定律在微觀機製基礎上的熱力學解釋。我們引入瞭“局部平衡假設”（Local Equilibrium Assumption）的嚴格性討論，並探討瞭在何種條件下（例如弛豫時間遠小於特徵演化時間）該假設仍然成立。本章的難點在於對熵産生率密度的精確錶述，這是理解所有耗散過程的起點。 第三章：綫性耦閤與最小熵産生原理 在係統接近平衡態的綫性響應區域，本章深入研究瞭不同物理量之間的耦閤現象。通過 Onsager 關係，我們闡述瞭諸如熱電效應（塞貝剋效應和珀爾帖效應）的本質，即溫度梯度如何驅動粒子擴散，反之亦然。核心概念是“流”（fluxes）和“力”（forces）的綫性關係：$mathbf{J}_i = sum_k L_{ik} mathbf{X}_k$。我們詳細推導瞭係數矩陣 $mathbf{L}$ 的對稱性（Onsager 倒易關係）的物理意義，並利用最小熵産生原理來確定係統在穩態下將采取的路徑——即在給定邊界條件下，係統會演化到熵産生率最小的狀態。這為理解輸運過程的“經濟性”提供瞭熱力學上的解釋。 第二部分：結構形成與超越綫性區的動力學 第四章：動力學相變與臨界現象 當係統偏離平衡態的程度加深，綫性響應理論不再適用。本章轉嚮非綫性動力學，探討係統如何自發地從無序狀態轉變為有序結構。我們引入瞭相變理論中的基本概念，如序參量（order parameter）和漲落的放大效應。重點分析瞭由外部激勵驅動的動態不穩定性，例如 Bénard 對流。通過對 Rayleigh 數或 Grashof 數的依賴性分析，我們展示瞭微小的擾動如何被非綫性項放大，最終導緻周期性或湍流結構的形成。本章的數學工具側重於平均場理論的推廣以及對動力學平均場方程（如 Ginzburg-Landau 型方程）的引入，以描述相變前後的演化行為。 第五章：耗散結構的熱力學理論 本章的核心是 Prigogine 關於耗散結構（Dissipative Structures）的理論。我們闡明瞭耗散結構（如化學振蕩反應、界麵演化）是如何在遠離平衡的狀態下，通過連續地耗散能量並維持低熵（高序）狀態來與環境進行物質和能量交換的。我們將從能量耗散的角度重新審視自組織現象。關鍵在於分析係統在非平衡態下的“有效自由能”或“有效熵”的變化趨勢，並證明在特定條件下，遠離平衡時，熵産生率不再是最小化，而是係統選擇性地朝著更高熵産生率的路徑演化，以維持其宏觀的非平衡有序性。 第六章：隨機過程與路徑積分的視角 為瞭更精確地描述非平衡係統的瞬態行為和路徑依賴性，本章引入瞭隨機過程的工具。我們從 Fokker-Planck 方程齣發，將連續時間隨機過程的概率演化與宏觀的動力學方程聯係起來。重點探討瞭化學反應網絡、電荷輸運中的隨機性，並介紹瞭如何在非平衡背景下運用 Doi-Onsager 路徑積分形式來計算特定曆史路徑的概率。這為理解係統如何“選擇”一條演化路徑提供瞭概率論上的嚴謹基礎，特彆是對於那些具有間歇性或跳躍行為的係統。 第三部分：信息的耗散與度量 第七章：信息論與物理學的交匯 本章將物理學的耗散概念與信息論中的不確定性度量進行對接。我們討論瞭 Shannon 信息熵與熱力學熵的內在聯係，特彆是玻爾茲曼對熵的統計解釋。我們將分析信息在物理係統中的存儲、傳輸和丟失過程。核心在於探討信息丟失（如在不可逆壓縮或信息擦除過程中）所伴隨的最小能量耗散—— Landauer 原理。我們將從信息論的角度審視計算的物理極限，並將其與係統的微觀態密度變化聯係起來。 第八章：熵流與功的轉化效率 本章迴歸到能量轉化的效率問題，但著眼於非平衡環境下的極限。我們分析瞭熱機和製冷機在有限時間尺度下的工作性能，引入瞭 Curzon-Ahlborn 效率等概念，這些效率考慮瞭熱阻和有限的傳熱速率。重點是區分可恢復的（功）和不可恢復的（熱損失）能量部分，並展示瞭如何在任何實際的、有限時間的操作中，熵的産生必然導緻效率低於卡諾極限。本章提供瞭從不可逆性角度衡量任何能源轉換裝置性能的理論基準。 結論：未來研究的方嚮 本書的最後一部分將對當前研究熱點進行展望，包括生物物理係統（如分子馬達的能效）、材料科學中的動態相分離，以及復雜網絡中的信息耗散。我們將強調，理解非平衡熱力學是連接微觀隨機性、宏觀復雜結構與信息處理能力的關鍵橋梁。未來的研究方嚮將集中於開發更普適的、能夠處理強非綫性耦閤和長程關聯的非平衡統計力學工具。

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thermodynamics and biological systems一章值得一讀。

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