再谈压力与压强,并广义力、广义流等 博客记事 2019年7月2日
(文中微分符号d均为偏微分。)
1. 压力与压强,再说几句
即使根据初始定义(麦克斯韦?):压强=(垂直于S面的)压力/(S面的)面积,压力和压强的区别也是显而易见的。
1)压强只是单位面积承受的压力,而不是压力本身;
2)甚至严格地说不是单位面积承受的压力,而是其垂直于该面分量而已。
分量显然不是物理量(物理量必须是坐标变换下保持不变的)。那么压强为什么是物理量呢?因为面积元也是矢量(方向正是垂直于该面的法线方向!),两个矢量相乘(实际是与后者的倒数相乘),如果是点积形式(行矢量乘以列矢量)—— dFi/dSi,得到是标量;如果是并矢形式(列矢量乘以行矢量)—— dFi/dSj,则是张量(各向异性条件下;一般把非对角项称为“雷诺协强”(Reynolds stress))。
如果力的量纲是[F],能量的量纲是[E],长度的量纲是[L],则有:[F]=[E]/[L];而压强量纲=[F]/[L]2=[E]/[L]3。即能量密度(单位体积的能量)的量纲。
压强是强度量而非广延量,物理上应为某一物理量的密度。所以科学的压强定义应为某一能量的密度,而其(负)梯度自然就是压力密度。
压力密度是压强(一种能量密度)的负梯度,正是热力学中的广义力。
2. 广义力与广义流 线性响应理论
广义流(不失一般性,记为Ji)与广义力(不失一般性,记为Xj=-dU/dxj——某一物理量U的负梯度)成正比:
Ji=LijXj=-Lij dU/dxj
这是非平衡统计热力学的基础之一;系数矩阵Lij的对称性:Lij=Lji,即为著名的Onsager倒易关系。
若U=p(压强;理想气体条件下=nT(取温度的单位为能量单位,如eV, 使得玻尔兹曼常数=1)),且粒子数密度n=常数,各向同性条件下(Lij=L deltaij)我们得到
Ji=LXi=-Ln dT/dxi (1)
即: qi=-KdT/dxi (Ji=qi为热流,K=nL为热传导系数) (2)
这就是热传导方程(傅里叶热传导定律)。
如果广义力是外部的,式(1)就是线性响应关系。比如:各向同性介质中,U为电势,则Ji就是电流密度
Ji=LXi=-L dU/dxi=sigma Ei (L=sigma 为电导率,Ei=-dU/dxi正是电场强度)。
这就是欧姆定律。