热运动与自组织的本质——时空统计热力学

1热运动与自组织的本质——时空统计热力学宋太伟2014-6-25上海建冶环保科技股份有限公司上海陆亿新能源有限公司上海建冶研发中心目录1.前言2.热力学体系的数学逻辑基础及物态、能量、热量、温度、熵等基本概念与内在关系2.1热学本质问题的数学描述方法2.2热学基本概念与基本关系2.2.1物态、内能、微观量子态、随机统计逻辑基础2.2.2温度、热量、热平衡态与能量守恒2.2.3时空结构形态理论基础逻辑进一步论述、光量子的本质时空关系、能态关系2.2.4非平衡态、热扩散、熵、热力学第二定律3.随机系统的统计关联与分形、有序结构、相变与自组织3.1随机系统的统计关联与分形结构3.1.1统计关联3.1.2分形结构3.2有序结构3.2.1有序结构的定义、分类3.2.2有序结构的能态特征3.3相变理论3.3.1相变的时空统计本质逻辑3.3.2有序结构势能能级结构及对应的相变特征3.3.3相变方程及相变温度TC计算关系3.3.4超导相变与高温超导机理3.4系统的自组织3.4.1自组织系统能态关系与时空结构特征3.4.2系统自组织的时空逻辑机理3.4.3生命体的自组织4．结束语参考文献后记2内容摘要本文以时空结构几何学与随机统计理论为基础，系统地分析论述了传统热力学相关概念与关系的时空本质，并在更普遍的时空统计逻辑上建立了相应的数学关系与方程。本文详尽地论述了作者创建的《时空统计热力学》理论体系，主要包括：时空结构几何与统计理论的基础，时空结构形态（集）、时空（拓扑）变换、能量、热量、温度、非平衡态、热扩散、有序、相变、自组织等基本概念与内在关系，光量子的本质时空关系、能态关系、统计关联与分形等价关系，相变理论与高温超导机理，自组织理论等等。正文热运动与自组织的本质——时空统计热力学经过近半生的不懈思索与总结，我已经基本完成了，有关大自然及地球人类社会重要的内在本质逻辑的全新认识及内在数学逻辑的全新描述。不过，对我来讲，要真正完成完整的、关于大自然的内在本质的数学逻辑理论体系及关于人类社会的内在本质的哲学逻辑理论体系，似乎更加困难。这可能与个人性格有关，我只对极具普遍意义的未知问题感兴趣，喜欢在忘我的境界思考分析事物背后最本质的东西，并对自然真理寻找简捷美妙的数学逻辑关系，我喜欢发现时的感觉，不过真的发现以后，一般是束之高阁，很难说服自己，去完成大量的细稍末节的味同嚼蜡的铺垫、陈述、完善，变成组织严谨、无所遗漏的“范文”。当然，时间可以改变一切。在索遍穷通以后，让世人分享，应该是极自然的了，也是责任所在。我不喜欢墨守成规、循规蹈矩，只相信真理，成卷的文风，通篇基本上以原创为主，多是自成一体的语言，但愿读者也不要太苛刻，毕竟，更深刻更睿智地认识与表述真理更为重要。本文可以作为我关于大自然的内在本质逻辑理论体系的开篇之作。1.前言温度与时间、位移、质量、电荷等一样，是最基础的物理概念，物理学及相关科学理论中的绝大部分内容，全部是在这些基本概念的基础上，推导演绎出来的。与时空、能量概念一样，内能、温度、热量等物理量的概念、本质内涵，更准确、更深刻的定义与规范，是可3以带来物理学（尤其是物理学中的热学）里程碑式的发展与变革的。近百年来，人类在探索未知世界、改善自我生存环境、创造物质财富等发展实践中，取得了无可比拟的巨大成就，在量子力学、核物理、材料与物质结构、激光、半导体与集成电路、自动化与机器人、航空航天技术与太空探索、等离子体与液晶等新物态材料技术、纳米技术、高分子技术、细胞生物学、基因工程、计算机、互联网与信息传播技术等等高端前沿科学技术领域，创造出超乎现代人类想象的新概念、新方法、新产品、新体验、新节奏、新速度、新效率、新生活。人类似乎真的进入无所不能的e时代。层出不穷的、爆炸式的新生事物的诞生，为我们更深刻地认识、感悟与大自然本质逻辑（即内在规律）紧密相关的时间、位移、质量、温度、电荷、能量等物理量的本质内涵，开启了更为广阔的智慧思路。物理学中的热学内容，与人类的日常生活、工作与创新实践活动，联系的更为广泛、密切。“冷热”状况是无处无时不在的关注点，从本文可以了解到，甚至是社会人文领域的“焦点”、“热点”、信息资讯，也是自然热度的关联组份，将被纳入热学的逻辑体系。对理论体系进行定义，除了空洞无价值、不知所云、或故弄玄虚以外，是没可说的。科学技术要具体化，自然规律或者逻辑真理是确定的，由相关逻辑真理组成的“真理集”（理论体系），用几句话能说清什么？所以这里我不想牵强地讲“热学”是什么，而是将具体地分析讨论温度、热量、能量、物态等之间的更本质的内在关系，并以时空结构几何与数理统计逻辑加以描述。本文力图给出有关热运动与自然物态变化的，更清晰的基础的概念与本质内涵，并建立普遍适用的数学逻辑关系。2．热力学体系的数学逻辑基础及物态、能量、热量、温度、熵等基本概念与内在关系经典热力学从宏观表象分析物体的热问题，量子统计热力学则从物体的微观机制着手分析推算物体的热问题。对理想气体与光子气体（也可称之为是另一种理想气体），二者可以达到统一，不过事实上理想气体状态在真实世界并不是唾手可得的。本文的热理论体系，将建立在更为普适与简单的数理逻辑基础之上。普适的自然规律是确定的，是自然现象千姿百态演化的基础逻辑。这种内在本质逻辑，本身包含简洁的数量关系，如果能够用简单明了的（当然是正确恰当的）数学关系来描述，在内在基础逻辑之上的演绎推理即变得相对简单高效，衍生的繁杂理论体系的组织架构也比较清晰有序。我相信，简单是美丽的结晶，越是基础的本质的真理逻辑，越是简单美丽。42.1热学本质问题的数学描述方法人们已经接受这样一个事实，即物质世界是由粒子组成的，粒子以不同形式在运动变化，组成物质的粒子可能又由更小层次的粒子组成；根据具体关注的物体性质的不同，分析考虑的粒子大小边界，有层次之分。运动变化要有空间、有时间。同时，热运动属于微观粒子的集体运动范畴。因此，可以将分析研究的物体对象，抽象为由众多粒子组成的时空结构形态。所谓时空结构形态，包含空间结构分布形态及时间变化影响，可以认为是“定时空间结构形态的集合”，用tA表示，几何学意义上对应1维时间与3维空间组成的4维时空中的一个具体结构，（一个空间结构，用空间几何语言描述，即为一个由无穷多空间“点”组成的几何结构或称图形，用集合语言描述为点集，其中时间维为定值t）。不同的物体形态，对应不同的tA，用tiA表示。注意，这是一个集合，而且一般来讲是无限集。（有关时空结构形态的理论，参考，宋太伟，《时空结构几何》）物体的基本宏观物理量，温度T、质量密度ρ、内能密度u、电荷密度q、电位势φ等，都是位移r和时间t的函数，可分别表示为T（r,t）、ρ（r,t）、u（r,t）、q（r,t）、φ（r,t），均是（局域）平均量。物体边界所围成的空间“大小”，为“体积”V，物体内部组成粒子所运动的“空间”，是一个广义的可度量空间，不一定是欧式几何空间或黎曼几何空间。经典物理理论使用欧式几何空间，广义相对论使用黎曼几何空间。对量子世界，因为波粒二重性的属性，具有确定的点、线、面的几何概念，严格意义上讲已经不适用，大量同性微观量子粒子的运动，不存在确定“轨迹”、确定“边界”、确定“位置”或称确定“点”。当然，1、2、3维几何空间的方向性在粒子运动层面也无意义，其物体组成粒子的子空间本身是各向同性的，物体同性粒子的子空间是同类的。宏观各向同性的物体内部时空结构形态，是简单重复的，内部微观粒子的运动子空间是相同的、不可区分的。具体某个粒子或某些粒子团的运动“子空间”，是个开集空间，有大小意义而无确定边界；子空间本身是一个拓扑空间，不同性质粒子有不同的拓扑结构；众多粒子组成的物体作为整体，其所有组成粒子的子空间，组成一个更大的拓扑空间。可以设想，宇宙自然界的演变是一个包罗万象的拓扑空间的具体空间结构形态的演变过程，演变过程对应时间维，即可以概括为时空结构形态，可以称之为一种时空拓扑结构。假设A为物体组成粒子的一个运动空间集，与之对应的一个时空拓扑结构用A表示，A也是一个集合，其元素是具体的时空结构形态（时空空间图像）。也就是说，宏观物体内部的微观粒子系统的物理运动及由此决定的宏观物理属性（量），可以用适当的时空5拓扑结构来描述，相应的宏观物理量肯定对应某种拓扑空间逻辑关系。对由众多甚至是无限多元素或粒子组成的系统，进行定量分析，统计平均是最基本的数量分析方法。对由微观粒子组成宏观物理系统，随机统计方法有更为本质的内涵：微观粒子的运动，本身就是不可准确测度的，波粒二重性是其本质属性，这就是统计属性。显然，宏观物体确定的可测物理量，如温度、压强、能量密度等等，都是粒子集合的具体物理属性的统计平均结果，肯定存在相应的数学统计逻辑关系。Maxwell分布规律、Boltzmann分布规律等，正是这种统计逻辑关系的具体表现形式。2.2热学基本概念与基本关系2.2.1物态、内能、微观量子态、随机统计逻辑基础2.2.1.1物态自然界的物质，都是由分子、原子、带电离子、电子、光子或电磁波、核子或其它粒子等组合而成。任何物体的物态，是物体存在的状态，包括宏观与微观两方面的内涵：宏观方面包括物体的大小、形状、温度分布、质量密度、能量密度、压力分布、电位势分布等物体属性、时空特点与内在关系；微观方面，包括构成物体的微观粒子单元的内秉属性、运动属性与相互之间的作用关系，可概括为2.1节中描述的时空结构形态。物体的宏观属性与相应的物理量，是由物体内部构成粒子的时空结构形态所决定的，物体外部环境条件的作用影响，同时体现在物体内部构成粒子的时空结构形态上。物体的状态是多样化的，气体、液体、固体、等离子体、光子气体、液固中间态、多粒子场、气液固混合体等，这些只是最粗层面的分类。稳定的物态，宏观物理量之间存在确定的函数关系，即是所谓的物态方程，主要是温度与其它物理量之间的关系。这种数量关系，可以根据物体内部组成粒子的时空结构形态，利用统计逻辑导出。典型的例子是理想气体和光子气体等，其热力学关系，实质上包涵了最本质的时空、随机统计与能量作用关系。下面附二者的物体方程组：①理想气体方程组：pV=μRT(1)ε=1/2＜mυ2＞=3kT/2(2)p=nkT(3)u=nε=3nkT/2（4）其中，p为理想气体压强，V为体积，T为热力学温度（开尔文K），R为普适气体常数8.31451J/Kmol，μ为理想气体摩尔数，n为理想气体分子（原子）数密度，k为玻尔兹曼常6数（R/NA=1.380658×10-23J/K）,ε为理想气体分子（原子）平均动能，m为理想气体分子（原子）质量，υ为理想气体分子（原子）运动速度，u为理想气体单位体积能量密度。②光子气体方程组：ε=hν(5)2/38(,)1hvkTvhvuvTce（普朗克Planck黑体辐射定律）（6）u=αT4（7）p=1/3u=1/3αT4(8)λmaxT=b（维恩Wien定律）(9)其中，ε为光子能量，ν为光子频率，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，u(ν,T)为能量谱密度，u为光子气体能量密度，α=8π5k4/15h3c3=7.566×10-16J/m3K4,p为光压，T为光子气体温度，λmax为光子气体波谱中最强谱线波长，b为常数（2897.8μmK）。定义1热学平衡态物体在外部环境不变条件下，物体整体与物体内部宏观物理量（性质）达到稳定的状态。宏观物理量包括：物体的大小、形状、温度分布、质量密度、能量密度、压力分布、电位势分布等物体属性，物体的同一物理量（密度量或强度量）可以是空间变化的，但空间分布不随时间变化。物体这种平衡态，还包含物体本身与不变的外部环境，同时达到热平衡状态。如2.1节所述，物体的基本宏观物理量，温度T、质量密度ρ、内能密度u、电荷密度q、电位势φ等，都是均是（局域）统计平均量，在稳定平衡态下，只是位移r的函数，可分别表示为T（r）、ρ（r）、u（r）、q（r）、φ（r）。2.2.1.2物体内能、微观量子态与时空拓扑结构的关系物质是由粒子构成，微观粒子是多样性的，微观粒子的基本属性包括质