热力学第二定律：非混沌介质中自发的冷-热传递

热力学第二定律：非混沌介质中自发的冷-热传递

热力学第二定律是物理学的基石之一，它指出热量不会自发从低温物体传向高温物体。然而，近日发表于Physical Review E的一篇论文提出了一种颠覆这一定律的新机制。

这项研究由加州大学圣地亚哥分校的 Yu Qiao 和 Zhaoru Shang 共同完成，主要探索了一个在热力学中长期被忽视的领域：非混沌性对热传递的深刻影响。

研究团队从 Knudsen 气体这一特殊的稀薄气体系统入手。这种气体的特点是粒子的平均自由程远大于容器的特征尺寸。在这样的条件下，粒子之间碰撞极少，而主要是与容器壁相互作用，因此其轨迹表现为独立和非混沌。

尽管 Knudsen 气体的非平衡特性早已被研究，但这些现象大多被认为是动力学问题，而非热力学问题。然而，研究显示，当 Knudsen 气体被置于复合装置中时，其本质上的非平衡行为会带来显著的热力学后果，甚至可能打破热力学第二定律的限制。

两种模型的发现

文章详细描述了两种模型：一种是在重力场中的 Knudsen 气体，另一种是使用可切换的 Knudsen 气体单元簇。

在第一个模型中，Knudsen 气体在重力场中的表现揭示了一个令人惊讶的现象：当系统达到稳定状态时，其温度分布并非均匀，而是自发形成梯度，且在某些条件下，热量可以从冷的下壁转移到热的上壁。通过蒙特卡罗模拟，作者证明了这一现象的发生完全源于粒子的非混沌性，而非传统热力学所描述的随机涨落或外部驱动力。

第二个模型展示了一种通过时间依赖的熵屏障（如可切换的内壁）实现周期性非平衡状态的可能性。作者设计了一种实验性方法，在该方法中，通过切换 Knudsen 气体单元的结构，可以导致系统吸收和释放热量，并且产生的热流可用于驱动热机。更令人惊讶的是，这些过程无需额外的能量输入，仅靠单一热源即可完成，这与热力学第二定律的经典描述——热机需要冷热源差异来工作——完全相悖。

研究的重要意义

这一研究的重要性在于，它为热力学和统计力学提供了一个新的视角。传统的热力学基于分子混沌假设，而在非混沌系统中，这一假设失效，导致新的热力学规律。作者提出，通过考虑非混沌的粒子行为，可以重新定义热力学第二定律的适用范围，并为设计新型能量转化装置铺平道路。

展望未来，这一研究可能在多个领域引发深远影响。例如，在极高重力环境下（如中子星附近），或在利用稀薄气体和纳米结构设计的设备中，非混沌系统可能展现出类似的非平衡热力学特性。此外，作者还提出，这一理论可以扩展到量子系统以及弱相互作用颗粒的研究中，为相关领域提供丰富的实验和理论基础。

图1. 两个宏观非热力学模型。它们基于局部非混沌 SND，与费曼棘轮或麦克斯韦妖无关。

图2. 能量势垒模型

图3. 边界条件对有效气相动力学温度 (T) 的影响。

图4. 随时间变化的熵势垒模型。(a) 不可分割设定（二维混沌气体），以及 (b) 细胞设置（每个细胞都是克努森气体）。不考虑重力。外边界和内边界是恒温 (T0) 下的热壁。

图5. 细胞壁插入和去除两个周期中内能 (U) 的典型时间曲线 (U0= 0.029)。对于每个循环，第一条垂直虚线表示细胞壁插入，第二条垂直虚线表示细胞壁去除。