热力学的“力”是什么意思？

在热力学里，“力”这个词，听起来有点儿像我们日常说的使劲儿推东西、拉东西的那个“力”，比如你用力把箱子搬起来。但其实，在热力学这个领域，“力”的意思要更广泛，更抽象一些，它更多地代表着“引起变化的能力”或者“驱动过程发生的根源”。

咱们可以这样理解：

1. 驱动物质状态改变的“推手”：

你有没有想过，为什么水会从一杯温水变成凉水，为什么冰块会在室温下融化成水？这背后都有一个“力”在驱动。在热力学里，这种“力”往往是指能量的转移。

温度差： 最典型的例子就是温度。热量总是从温度高的地方流向温度低的地方。这个“流动的趋势”或者说“促使热量传递的能量差异”就可以被看作是一种“力”。正是这种温度上的“不均衡”驱动着热量的流动，直到达到平衡。
压力差： 气体为什么会从高压区域扩散到低压区域？也是因为存在压力差。压力差就像一股无形的力量，推动气体分子往低压的地方挤。这个压力差也是“力”的一种体现。
浓度差： 同样，如果两种不同浓度的溶液放在一起，溶质分子会从高浓度区域向低浓度区域移动，直到浓度均匀。这种“移动的趋势”也是由浓度差这个“力”驱动的。

所以，在热力学里，我们谈论的“力”，不是我们直接感受到的推、拉，而是那些促使物质发生状态变化、能量转移、或者达到平衡的根本原因。你可以把它想象成是“倾向性”或者“势能差异”。

2. 能量和“做功”的关联：

热力学第一定律告诉我们，能量守恒。能量可以以不同的形式存在，也可以相互转化。而“做功”是能量转移的一种重要方式。

宏观力学中的功： 在经典力学里，功就是力乘以位移（W = F d）。当一个力作用在物体上，并且使物体移动了一段距离，这个力就做了功。
热力学中的“功”： 在热力学里，“做功”的概念也被延伸了。例如，蒸汽机里的蒸汽膨胀推动活塞，这就是一种“做功”。这里的“力”就是蒸汽的压力，它克服了外界的阻力，完成了位移。
广义的“力”： 有时候，我们也会把能量的“驱动能力”本身视为一种“力”。比如，化学反应中的“驱动力”指的是反应进行的趋势，这种趋势是由反应物和生成物之间的能量差异决定的。

3. 热力学第二定律和“驱动力”：

热力学第二定律则进一步揭示了过程发生的“方向性”。为什么有些过程是自发的，而有些则不是？这就涉及到“熵”这个概念，以及“自由能”的变化。

熵增的趋势： 第二定律说，在一个孤立系统中，熵总是趋于增加。这种“熵增加的趋势”可以被视为一种“力”，它驱动着系统朝着更混乱、更无序的状态发展。
自由能的驱动： 在非孤立系统中，我们更常用“自由能”来判断过程是否自发。自由能的降低是过程自发进行的一个“驱动力”。你可以理解为，系统更倾向于达到一个能量更低、更稳定的状态。

总结一下：

所以，在热力学里，“力”不是牛顿力学里那个具体的、可以测量大小和方向的力。它更像是一个抽象的概念，用来描述：

引起状态变化的原因： 比如温度差、压力差、浓度差。
能量转移的趋势： 能量从高处流向低处，或者从高势能向低势能转移。
驱动过程发生的根源： 比如熵增的趋势，或者自由能的降低。

你可以把它理解为一种“驱动系统从一个状态向另一个状态转变的内在倾向”。它不是一个实体，而是引起变化的原因和方向的体现。虽然我们不直接用“牛顿”来衡量它，但它确实是驱动着自然界所有物理和化学过程的根本动力。

所以，下次你听到热力学中的“力”，别只想着推箱子，更要想想那些看不见的、驱动着事物变化的“能量差异”和“趋势”。

网友意见

经典热力学中基本上没有“力”这个概念。热力学的“力”在历史上是翻译问题。

直到上世纪中叶，热力学才开始进入到非平衡态的领域。在此时，人们研究在开放系统中非平衡态下系统的变化，而不仅仅限于所谓的“准静态过程”。比如说，最令人关注的概念，“熵产生”（也即是系统的内部熵随着时间的变化速率）。具体讲，对一个开放系统，通过详细推导可以得到：

在这个公式里，左侧第一项是局部熵变，第二项是进出系统的能流和质量流带来的熵变；而右侧对应着系统内部由于热传递、扩散、电流、化学反应而引发的熵变。我们可以看到，这个公式可以表示为：

系统的熵变+系统边界的净熵流=系统内部的熵产生

因而，从上面公式的右侧，我们就可以得到系统的熵产生的公式 —— 这就是一个热力学函数的动力学特征了。

我们不难发现，上述熵产生虽然有多个项组成，但是每一项都有着类似的形式：它们可以分成两部分，一部分是“流动”，而另一部分是产生这个流动的“驱动力”。于是，热力学就有了不同形式的“流”以及这些“流”的驱动力的定义，以及其产生的一个基本关系：

这里 是局部熵产，F是某种形式的驱动力，J是某种形式的流动（例如热流、扩散流、化学流、质量流、电流等等）。我们把这种驱动力看作广义的“力”，把这种流动看作广义的“位移”或者“速度”，那么这个公式和经典力学就很像了。当然这里的驱动力和经典力学中的力并不是一回事，它可以看作是一种广义的力。比如说，我们把温度梯度看作是热流的驱动力。类似的力和流有多种，如下图^[1]

每种“力”和它对应的“流”被称作是互相“共轭”（conjugate）的两个变量。我们经常把它们叫做热力学力和热力学流。

在近平衡态下（线性区域），热力学中的力和流就有类似于牛顿第二定律的关系：

根据微观的时间反演对称性，就有了大名鼎鼎的昂萨格倒易关系：

于是，在这种关系下，热力学就开始研究熵的时间演化和系统内部各种驱动力之间的关系，thermodynamics中的“dynamics”算是名副其实了。

参考

1. ^ Dilip Kondepudi，Ilya Prigogine，“modern thermodynamics”

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