什么是有限时间热力学

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热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用（包括能量传递和转换）的学科。工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。

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热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用（包括能量传递和转换）的学科。工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。

中文名

有限时间热力学

外文名

thermodynamics

应用

不可逆过程热力学

研究

热机，制冷机以及其它能量转换等

有限时间热力学热力学

化学热力学术语

thermodynamics

有限时间热力学学科简介

有限时间热力学是经典热力学的延伸和推广，是现代热力学理论的一个新分支，主要研究非平衡系统在有限时间中能流和熵流的规律。它既不同于20世纪30年代建立起来的不可逆热力学，又不同于工程热力学，有它自己鲜明的理论特征。现已广泛地应用于物理、化学和工程热物理等许多学科领域，建立了一系列相应的新理论。在有限时间热力学的发展过程中，内可逆卡诺循环模型、最大功率输出时的效率、基本优化关系、内可逆循环统一理论、不可逆循环理论等方面的研究起到了极其重要的作用。

有限时间热力学不可逆热力学

有限时间热力学简介

研究在不可逆过程中处于非平衡态的物理系统的热力学现象的宏观理论。

有限时间热力学应用

以平衡态和可逆过程为基础的平衡态热力学理论已经相当完善，广泛应用于各种物理、化学过程的宏观描述。然而，在自然界，在物理、化学、气象、天体物理、生命科学、环境生态等领域所涉及的许多问题中，非平衡态的热力学系统和不可逆过程是大量存在的。例如活细胞中的核酸与其环境不断地交换着物质，又如太阳发出的能量稳流使地球大气层无法达到热动平衡等。因此，把热力学方法推广到不可逆过程已经成为迫切的需要，并逐步形成了新的研究领域——不可逆过程热力学，相应的微观理论是非平衡态统计物理。

有限时间热力学研究

有限时间热力学是不可逆热力学的一个新分支。虽然经典热力学的基本定律是用不可逆过程表达出来的，但是该学科随后的发展离开不可逆过程，集中于研究平衡系统。事实上，经典热力学是关于平衡态和过程变量由一个平衡态变换到另一个平衡态的一种极限理论。今天，经典热力学对平衡态和可逆过程已给出相当完整的描述，提供了许多优化判据。长期来，这些判据已成为物理、化学和工程中热力学研究的通用货币或"公共财宝"。然而，时间是实际过程的一个重要参数，在经典热力学中却没有考虑，以致一些非常一般的问题尚未得到解决。例如，在一给定时间内，由一台机器产生一定的功所需要的最少能量是多少，经典热力学就无法作出回答。有限时间热力学能处理显含时间和与速率有关的变量的过程，可引进诸如输出功率、制冷率、泵热率、输入功率、 熵产生率、火用损失率、有限时间烟、经济性能等许多更为重要的参量，同时可提供对实际过程更为有用的优化判据。

有限时间热力学不同于20世纪30年代建立起来的不可逆热力学。不可逆热力学的中心点是建立一组与所研究的系统相关的热力学变量的动力学方程，然后在各种假设下求解这一组方程，以动力学方程为中心的不可逆热力学自然导致用微分方程来表示和对系统局城微分行为的考查. 而以过程变量的净变化为中心的有限时间热力学导致了积分方程、 变分原理和对系统的整体描述。它是昂色格微分观点的一种积分补充，虽然拉格朗日或哈密顿形式使方程变成微分的，但至少一开始它的方程是积分方程而不是微分方程。

有限时间热力学的方法容易用来研究如热机，制冷机以及其它能量转换等一些实际系统的性能。当然，不可逆热力学和有限时间热力学之间有许多内在联系，两者相辅相成，互为补充。有限时间热力学也不同于工程热力学。在工程热力学中采用的模型总是对工程师想要建造或应用的特殊系统采取尽可能详细的描述。这无疑是导致一种复杂的特定模型。有限时间热力学中采用的模型仍然是一类包含确定实际系统典型特征的理想化模型。因而构造能表示大量实际过程普遍特征的模型是有限时间热力学的中心任务。各个普遍模型一般应该包含所要研究的实际系统的全部重要参数，而不是所有的各个细节，否则将会使物理内容含糊不清,计算十分困难，甚至无法进行。

理想化的可逆模型已经广泛地应用在经典热力学中，例如，著名的卡诺循环就是高度理想化的可逆热机模型，而内可逆模型是可逆模型的直接推广，它是有限时间热力学中常用的典型模型。所谓内可逆模型，指的是系统内部过程是可逆的，而所有的不可逆性都发生在系统与外部环境之间。

有限时间热力学的主要工具是最优控制理论。它用来解由可用性分析，最小熵产生，不可逆运动方程的变分公式等所要求的最佳决策和最佳轨迹问题。优化问题的复杂性直接与约束的种类和复杂性相联系。对于各种不同的系统，约束方程可以是代数的、微分的、积分的或微积分的。复杂模型的优化问题通常导致一组辆合的、非线性微分方程。从这样一组方程出发，唯一的希望是进行定性分析和数值求解。因此，人们总是努力寻找和建立具有解析解的简单而普通的模型，如内可逆卡诺循环模型就是典型的一例。

有限时间热力学的主要目的是寻找热力学过程的有限时间运行方式的普适极限。有限时间过程除了比经典热力学提供的过程更为实际和普遍外，还有助于人们更深刻地理解不可逆性如何影响热力学过程的性能。

有限时间热力学已经成功地应用于大量的问题，如分析热机、 制冷机、 热泵、多热源循环、有限热源循环、分溜过程和化学反应系统的性能，确定地球风能的上界，揭示量子系统特征，探讨广义势、有限时间可用性、热力学长度、计算机逻辑运算、模拟退火等等重要问题。特别，内可逆循环模型已广泛地用来分析受传热不可逆性影响的各种热机、制冷机和热泵的优化性能，并在内可逆循环模型的基础上，还建立了许多不同的不可逆循环模型。这些模型包括各种损失机理，如机械摩擦、热漏、热阻、非理想回热以及工质的内部耗散等等。深入研究各种不可逆循环的优化性能，将会不断地促进有限时间热力学的发展。