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新最小熵产生原理(即最小耗能原理)

已有 1132 次阅读 2021-7-10 18:23 |系统分类:论文交流

文献[1-3]引入“瞬时定态”概念并采用“缩小寻找系统熵产生最小值范围”的方法,提出并证明了一个适用于非线性非平衡态热力学过程中的任一瞬时的新最小熵产生原理(或称最小耗能原理)。这个新原理可表述为:“在任何非线性非平衡态热力学系统中发生的任何耗能过程,都将在与其相应的约束条件下,以最小耗能的方式进行”。其中所谓“耗能”,是指具有方向性(即不可逆)的能量转换或传输;其中所谓的“相应的约束条件”,是指过程中的热力学流和热力学力所应满足的控制方程和定解条件;其中所谓的“以最小耗能的方式进行”,是指在过程中的任意瞬时,系统的耗能率都取当时所有可能耗能率中的最小值(这里所谓 “可能耗能率”,是指由只满足部分“相应的约束条件”的热力学流和热力学力所得到的耗能率)。因为在整个耗能过程的每一瞬时,系统的耗能率都取当时所有可能耗能率中的最小值,所以整个耗能过程的总耗能也应取所有可能总耗能中的最小值。因此“以最小耗能的方式进行”,实际上还蕴含着“任何耗能过程总是在相应的约束条件下力图使整个过程的总耗能取最小值”的内容。也就是说,任何耗能过程都具有可在不受“边界条件恒定”和“平衡态附近线性区”两个条件限制的情况下,通过“调整”“相应约束条件”中的各种可能“调整”的参数,而力图使该过程的总耗能(而不是耗能率)取最小值的发展趋势。也正因为此,这个新原理才去掉了“率”字,而被重新命名为最小耗能原理,同时为了显示与现有理论在名称上的区别,特将中文名中的“能耗”改为“耗能”,并将英文名由“minimum energy consumption principle”改为“least energy consumption principle”以示与“文献[4]所述的最小能耗原理、最小能耗率原理和Prigogine的最小熵产生原理”的区别。显然这个新原理(最小耗能原理)不仅具有普适性,而且还使文献[4]所述的最小能耗原理和最小能耗率原理之间的差异(前者是说稳定运动的总耗能最小,而后者是说稳定态时的耗能率最小)得到了统一。根据这个新原理,既可针对任一非线性非平衡态热力学系统中发生的任何耗能过程中的任一瞬时,建立起以该瞬时耗能率表示的条件极值或条件变分方程,也可针对任一非线性非平衡态热力学系统中发生的任何耗能过程中的任一瞬时,建立起以该瞬时以前直至该瞬时所发生的总耗能表示的条件极值或条件变分方程。由于这个结论对有生命或无生命的耗能过程都同样成立,因此它不仅能用来解释无生命耗能过程中的种种奇妙现象,而且也揭示了有生命耗能过程中发生的各种奇妙现象的本质,从而将大自然的节约法则提升到理性认识的高度。

所周知,热力学第一定律解决了在能量的转换和传输过程中,各种参与转换和传输的能量之间应该维持一种什么样关系的问题;热力学第二定律解决了在能量转换和传输过程中,各种参与转换和传输的能量究竟朝什么方向转换和传输的问题;而本文所介绍的具有普遍意义的新最小熵产生原理(即最小耗能原理),则解决了在具有方向性(即不可逆)的能量转换和传输过程中,各种参与转换和传输的能量究竟以一种什么样的速率和方式进行转换和传输的问题。显然,由于新最小熵产生原理(即最小耗能原理)的加入,将使目前已广泛应用于各学科领域的能量原理更趋完善。从这个意义上来说,应该可以把新最小熵产生原理(即最小耗能原理)视为是一个能与热力学第一和第二定律并列的自然界的基本规律。显然,其在科学上的价值和意义是不言而喻的。

由于笔者发现在百度中,似有将最小能耗原理、最小能耗率原理、Prigogine的最小熵产生原理和文献[1-3]介绍的新最小熵产生原理(即最小耗能原理)四者混淆不清的类似叙述,故特在<科学网>博客连发三篇博文,希望能使此误解得到澄清。


参考文献

[1] 周筑宝. 最小耗能原理及其应用. 北京:科学出版社. 2001.

[2] 周筑宝, 唐松花.功耗率最小与工程力学中的各类变分原理. 北京: 科学出版社, 2007.

[3周筑宝, 唐松花. 最小耗能原理及其应用订版. 北京:科学出版社. 2012.

[4]为笔者<科学网>博客题为最小能耗原理、最小能耗率原理和Prigogine的最小熵产生原理的博文.http://www.blog.sciencetimes.com.cn/home.php?mod=space&uid=3355154&do=blog&id=1294667




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4 范振英 张学文 尤明庆 黄河宁

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