组织设计 热运动与自组织的本质时空统计热力学

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1、组织设计 热运动与自组织的本质 时空统计热力学 组织设计 热运动与自组织的本质 时空统计热力学 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

2、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 3.3.13.3.1 相变的时空统计本质逻辑 3.3.23.3.2 有序结构势能能级结构及对应的相变特征 3.3.33.3.3 相变方程及相变温度 TC计算关系 3.3.43.3.4 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

3、生命体的自组织 4 结束语 参考文献 后记 内容摘要 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

4、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

5、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 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

6、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

7、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

8、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

9、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。 2.1 热学本质问题的数学描述方法2.1 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

10、、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，用表示。 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

11、， 时空结构几何 ） 物体的基本宏观物理量，温度 T、质量密度 、内能密度 u、电荷密度 q、电位势 等， 都是位移和时间 t 的函数， 可分别表示为 T（, ,t） 、 （, ,t）、 u（, ,t）、 q（, ,t）、 （, ,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

12、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

13、 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。 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

14、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） ，可以用适当的时空拓扑结构 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。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

15、物体确定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。 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 热学基本概念与基本关系 2.2.1 物态、内能、微观量子态2.2.1 物态、内能、微观量子态、随机统计逻辑基础 随机统计逻辑基础 2.2.1.1 物态2.2.1.1 物态 自然界的物质，都是由分子、原子

16、、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