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定义非平衡热力学态变量的合适关系如下所述。当系统处于足够接近热力学平衡态的状态时，非平衡态变量可以通过与测量热力学态变量相同的技术，足够精确地在局部测量,或者通过相应的时间和空间导数得到，包括物质和能量的流。一般来说，非平衡态热力学系统在空间和时间上都是不均匀的，但是它们的不均匀性仍然具有足够的光滑度，使得非平衡态变量存在合适的时间和空间导数。由于空间的非均匀性，非平衡态对应的热力学广延量必须定义为平衡态中相应广延量的空间密度。在系统足够接近热力学平衡的情况下，非平衡态的强度量，例如温度和压强，与平衡状态变量密切对应。为了刻画相应的非均匀性，测量探头必须足够小，响应速度也必须足够快。此外，非平衡态变量之间需要在数学上和功能上相互关联，以适当的类似于平衡热力学状态变量之间对应关系的方式。在现实中这些要求是非常苛刻的，并且可能很难，<ref name="Gyarmati 1970"/>或者说实际上，甚至理论上都不可能满足。这就部分解释了为什么非平衡态热力学是一个仍在进行的工作。

定义非平衡热力学态变量的合适关系如下所述。当系统处于足够接近热力学平衡态的状态时，非平衡态变量可以通过与测量热力学态变量相同的技术，足够精确地在局部测量,或者通过相应的时间和空间导数得到，包括物质和能量的流。一般来说，非平衡态热力学系统在空间和时间上都是不均匀的，但是它们的不均匀性仍然具有足够的光滑度，使得非平衡态变量存在合适的时间和空间导数。由于空间的非均匀性，非平衡态对应的热力学广延量必须定义为平衡态中相应广延量的空间密度。在系统足够接近热力学平衡的情况下，非平衡态的强度量，例如温度和压强，与平衡状态变量密切对应。为了刻画相应的非均匀性，测量探头必须足够小，响应速度也必须足够快。此外，非平衡态变量之间需要在数学上和功能上相互关联，以适当的类似于平衡热力学状态变量之间对应关系的方式。在现实中这些要求是非常苛刻的，并且可能很难，<ref name="Gyarmati 1970"/>或者说实际上，甚至理论上都不可能满足。这就部分解释了为什么非平衡态热力学是一个仍在进行的工作。

==Overview 概述==

 

==概述==

非平衡态热力学是一项正在进行的工作，而不是一座已经建立的大厦。本文试图勾勒出一些方法和一些重要的概念。

非平衡态热力学是一项正在进行的工作，而不是一座已经建立的大厦。本文试图勾勒出一些方法和一些重要的概念。

它的形式非常适合于描述高频过程和小尺度材料。

它的形式非常适合于描述高频过程和小尺度材料。

==Basic concepts 基本概念==

==基本概念==

有许多静态非平衡系统的例子，其中一些非常简单，例如被限制在两个不同温度恒温器之间的系统，或者常见的库埃特流动，两个沿相反方向运动的平板壁之间的流体，并定义了壁上的非平衡条件。激光作用也是一个非平衡过程，但它依赖于脱离局部热力学平衡，因此超出了经典不可逆热力学的范围; 这种情况下，两个分子自由度(分子激光，振动和转动分子运动)之间保持了很大的温差，这要求在一个很小的空间区域存在两个部分的“温度”，所以排除了局部热力学平衡，因为热力学平衡只需要一个温度。声扰动或激波的阻尼是非静态非平衡过程。被驱动的复杂流体、湍流系统和玻璃是非平衡系统的其他例子。

有许多静态非平衡系统的例子，其中一些非常简单，例如被限制在两个不同温度恒温器之间的系统，或者常见的库埃特流动，两个沿相反方向运动的平板壁之间的流体，并定义了壁上的非平衡条件。激光作用也是一个非平衡过程，但它依赖于脱离局部热力学平衡，因此超出了经典不可逆热力学的范围; 这种情况下，两个分子自由度(分子激光，振动和转动分子运动)之间保持了很大的温差，这要求在一个很小的空间区域存在两个部分的“温度”，所以排除了局部热力学平衡，因为热力学平衡只需要一个温度。声扰动或激波的阻尼是非静态非平衡过程。被驱动的复杂流体、湍流系统和玻璃是非平衡系统的其他例子。

如果定态是不稳定的，那么任何涨落几乎肯定会触发系统几乎爆炸性地偏离不稳定的定态。这可能伴随着熵输出的增加。

如果定态是不稳定的，那么任何涨落几乎肯定会触发系统几乎爆炸性地偏离不稳定的定态。这可能伴随着熵输出的增加。

==Local thermodynamic equilibrium 局部热力学平衡==

==局部热力学平衡==

目前非平衡态热力学的范围并不包括所有的物理过程。在物质的非平衡态热力学中，许多研究有效的一个条件是，他们处理的是所谓的局部热力学平衡。

目前非平衡态热力学的范围并不包括所有的物理过程。在物质的非平衡态热力学中，许多研究有效的一个条件是，他们处理的是所谓的局部热力学平衡。

==Entropy in evolving systems 演化系统的熵==

==演化系统的熵==

W.T. Grandy Jr <ref>{{cite journal | doi = 10.1023/B:FOOP.0000012007.06843.ed | title = Time Evolution in Macroscopic Systems. I. Equations of Motion | year = 2004 | last1 = Grandy | first1 = W.T., Jr. | journal = Foundations of Physics | volume = 34 | issue = 1 | page = 1 |url=http://physics.uwyo.edu/~tgrandy/evolve.html |arxiv = cond-mat/0303290 |bibcode = 2004FoPh...34....1G }}</ref><ref>{{cite journal | url=http://physics.uwyo.edu/~tgrandy/entropy.html | doi=10.1023/B:FOOP.0000012008.36856.c1 | title=Time Evolution in Macroscopic Systems. II. The Entropy | year=2004 | last1=Grandy | first1=W.T., Jr. | journal=Foundations of Physics | volume=34 | issue=1 | page=21 |arxiv = cond-mat/0303291 |bibcode = 2004FoPh...34...21G }}</ref><ref>{{cite journal | url=http://physics.uwyo.edu/~tgrandy/applications.html | doi = 10.1023/B:FOOP.0000022187.45866.81 | title=Time Evolution in Macroscopic Systems. III: Selected Applications | year=2004 | last1=Grandy | first1=W. T., Jr | journal=Foundations of Physics | volume=34 | issue=5 | page=771 |bibcode = 2004FoPh...34..771G }}</ref><ref>Grandy 2004 see also [http://physics.uwyo.edu/~tgrandy/Statistical_Mechanics.html].</ref> 指出，熵虽然在非平衡系统中可以定义，但是严格来说，它只是一个关于整个系统的宏观量，而不是一个动力学变量，一般不作为描述局部力的局部势能。然而在特殊情况下，人们可以隐喻地认为，热力学变量表现得像局部物理力。构成经典不可逆热力学的近似是建立在这种隐喻思维之上的。

W.T. Grandy Jr <ref>{{cite journal | doi = 10.1023/B:FOOP.0000012007.06843.ed | title = Time Evolution in Macroscopic Systems. I. Equations of Motion | year = 2004 | last1 = Grandy | first1 = W.T., Jr. | journal = Foundations of Physics | volume = 34 | issue = 1 | page = 1 |url=http://physics.uwyo.edu/~tgrandy/evolve.html |arxiv = cond-mat/0303290 |bibcode = 2004FoPh...34....1G }}</ref><ref>{{cite journal | url=http://physics.uwyo.edu/~tgrandy/entropy.html | doi=10.1023/B:FOOP.0000012008.36856.c1 | title=Time Evolution in Macroscopic Systems. II. The Entropy | year=2004 | last1=Grandy | first1=W.T., Jr. | journal=Foundations of Physics | volume=34 | issue=1 | page=21 |arxiv = cond-mat/0303291 |bibcode = 2004FoPh...34...21G }}</ref><ref>{{cite journal | url=http://physics.uwyo.edu/~tgrandy/applications.html | doi = 10.1023/B:FOOP.0000022187.45866.81 | title=Time Evolution in Macroscopic Systems. III: Selected Applications | year=2004 | last1=Grandy | first1=W. T., Jr | journal=Foundations of Physics | volume=34 | issue=5 | page=771 |bibcode = 2004FoPh...34..771G }}</ref><ref>Grandy 2004 see also [http://physics.uwyo.edu/~tgrandy/Statistical_Mechanics.html].</ref> 指出，熵虽然在非平衡系统中可以定义，但是严格来说，它只是一个关于整个系统的宏观量，而不是一个动力学变量，一般不作为描述局部力的局部势能。然而在特殊情况下，人们可以隐喻地认为，热力学变量表现得像局部物理力。构成经典不可逆热力学的近似是建立在这种隐喻思维之上的。

==Flows and forces 流和力==

==流合力==  

 

经典平衡态热力学的基本关系为<ref name="W. Greiner et. al. 1997">W. Greiner, L. Neise, and H. Stöcker (1997), ''Thermodynamics and Statistical Mechanics (Classical Theoretical Physics)'' ,Springer-Verlag, New York, '''P85, 91, 101,108,116'''.</ref>

经典平衡态热力学的基本关系为<ref name="W. Greiner et. al. 1997">W. Greiner, L. Neise, and H. Stöcker (1997), ''Thermodynamics and Statistical Mechanics (Classical Theoretical Physics)'' ,Springer-Verlag, New York, '''P85, 91, 101,108,116'''.</ref>

上述熵产生率方程的推广由 Pokrovskii 给出。<ref name="dx.doi.org"/>

上述熵产生率方程的推广由 Pokrovskii 给出。<ref name="dx.doi.org"/>

==The extremum principle for inferring non-equilibrium processes 推测非平衡过程的极值原理==

==推测非平衡过程的极值原理==

直到最近，这个领域中有用的极端原理的前景似乎还很模糊。Nicolis (1999)<ref>{{Cite journal | doi = 10.1002/qj.49712555718 | last1 = Nicolis | first1 = C. | year = 1999 | title = Entropy production and dynamical complexity in a low-order atmospheric model | url = | journal = Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society | volume = 125 | issue = 557| pages = 1859–1878 |bibcode = 1999QJRMS.125.1859N }}</ref>得出结论，大气动力学的一个模型有一个吸引子，它不是最大或最小耗散的范畴; 她说这似乎排除了全局组织原则的存在，并评论说，这在某种程度上是令人失望的; 她还指出，很难找到一个热力学上一致的形式的熵产生。另一位顶级专家对熵产生极值原理和能量耗散原理的可能性进行了广泛的讨论: Grandy (2008年)<ref name="Grandy 2008"/> 的第12章非常谨慎，发现在许多情况下难以定义“内部熵产生速率”，并发现有时为了预测一个过程的进程，一个叫做能量耗散速率的极值可能比熵产生的速率更有用; 这个量出现在昂萨格尔1931<ref name="Onsager 1931 I"/>年创立的这个主题中。其他研究者也认为，一般的全局极值原理的前景是模糊的。这些作家包括格兰斯多夫和普里高津(1971年)、莱邦、乔和卡萨斯-瓦斯奎斯(2008年) ，以及伊尔哈维(1997年)。

直到最近，这个领域中有用的极端原理的前景似乎还很模糊。Nicolis (1999)<ref>{{Cite journal | doi = 10.1002/qj.49712555718 | last1 = Nicolis | first1 = C. | year = 1999 | title = Entropy production and dynamical complexity in a low-order atmospheric model | url = | journal = Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society | volume = 125 | issue = 557| pages = 1859–1878 |bibcode = 1999QJRMS.125.1859N }}</ref>得出结论，大气动力学的一个模型有一个吸引子，它不是最大或最小耗散的范畴; 她说这似乎排除了全局组织原则的存在，并评论说，这在某种程度上是令人失望的; 她还指出，很难找到一个热力学上一致的形式的熵产生。另一位顶级专家对熵产生极值原理和能量耗散原理的可能性进行了广泛的讨论: Grandy (2008年)<ref name="Grandy 2008"/> 的第12章非常谨慎，发现在许多情况下难以定义“内部熵产生速率”，并发现有时为了预测一个过程的进程，一个叫做能量耗散速率的极值可能比熵产生的速率更有用; 这个量出现在昂萨格尔1931<ref name="Onsager 1931 I"/>年创立的这个主题中。其他研究者也认为，一般的全局极值原理的前景是模糊的。这些作家包括格兰斯多夫和普里高津(1971年)、莱邦、乔和卡萨斯-瓦斯奎斯(2008年) ，以及伊尔哈维(1997年)。

==Applications 应用==

==应用==

非平衡态热力学已成功地应用于描述蛋白质折叠/展开和膜转运等生物学过程。.<ref>{{cite journal |last1=Kimizuka |first1=Hideo |last2=Kaibara |first2=Kozue |title=Nonequilibrium thermodynamics of ion transport through membranes |journal=Journal of Colloid and Interface Science |date=September 1975 |volume=52 |issue=3 |pages=516–525 |doi=10.1016/0021-9797(75)90276-3}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Baranowski |first1=B. |title=Non-equilibrium thermodynamics as applied to membrane transport |journal=Journal of Membrane Science |date=April 1991 |volume=57 |issue=2–3 |pages=119–159 |doi=10.1016/S0376-7388(00)80675-4}}</ref>

非平衡态热力学已成功地应用于描述蛋白质折叠/展开和膜转运等生物学过程。.<ref>{{cite journal |last1=Kimizuka |first1=Hideo |last2=Kaibara |first2=Kozue |title=Nonequilibrium thermodynamics of ion transport through membranes |journal=Journal of Colloid and Interface Science |date=September 1975 |volume=52 |issue=3 |pages=516–525 |doi=10.1016/0021-9797(75)90276-3}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Baranowski |first1=B. |title=Non-equilibrium thermodynamics as applied to membrane transport |journal=Journal of Membrane Science |date=April 1991 |volume=57 |issue=2–3 |pages=119–159 |doi=10.1016/S0376-7388(00)80675-4}}</ref>

==See also 其他相关==

==其他相关==

* [[时间晶体]]

* [[时间晶体]]