问题

热力学和动力学的英文表达中,kinetics和dynamics的区别是什么?

回答
在探讨热力学(thermodynamics)和动力学(kinetics)这两个概念的英文表达时,我们会发现一个非常有趣的现象:虽然它们都与“运动”或“变化”有关,但它们关注的视角和核心问题却截然不同。理解这种区别,关键在于把握它们各自的词根含义以及在科学语境下的具体应用。

首先,我们来解析“kinetics”这个词。它的词根是古希腊语的“kinesis”,意为“运动”。因此,kinetics 的核心关注点在于“运动本身的速度和机制”。

在科学领域,特别是化学和物理学中,kinetics 通常指的是:

反应速率(Reaction Rate): 这是 kinetics 最直观的应用。我们关心的是一个化学反应或物理过程“有多快”发生。例如,铁生锈的速度,或者一滴墨水在水中扩散的速度。
反应机理(Reaction Mechanism): 仅仅知道反应快慢是不够的,kinetics 还深入探究反应是如何发生的。也就是说,它关注的是反应过程中涉及的一系列中间步骤,以及这些步骤是如何连接、如何影响总速率的。这就像是在拆解一个复杂机器,了解每个零件如何运转,才能明白整个机器的工作原理。
影响速率的因素(Factors Affecting Rate): 浓度、温度、催化剂、表面积等等,这些因素如何改变反应的速度?kinetics 会系统地研究这些问题。例如,为什么加热能加快化学反应?为什么加入催化剂能让反应变得更快?
活化能(Activation Energy): 这是 kinetics 中一个非常重要的概念。它指的是要使反应发生,反应物分子需要克服的一个能量障碍。就像要推一块石头过山坡,你需要先给它一个初始的推力。这个推力的大小就是活化能。

总而言之,kinetics 关注的是“how fast”和“how”。它是一个过程的动态演变,是关于“如何做到”的科学。

接下来,我们看“dynamics”。这个词的词根同样来自古希腊语,“dynamis”,意为“力量”、“能力”或“功率”。因此,dynamics 的关注点更多地在于“系统的状态、能量和平衡”,以及这些状态之间的转化是由什么“力量”驱动的。

在科学领域,dynamics 通常指的是:

系统状态(System State): Dynamics 关注的是一个系统在特定时刻的宏观性质,例如温度、压力、体积、熵等。它描述的是“是什么样的”。
能量转化和传递(Energy Conversion and Transfer): 这是 dynamics 的核心。它研究能量如何在系统内部或系统之间转化和传递,以及这些转化是否会自发进行。热力学就是 dynamics 的一个重要分支。
平衡状态(Equilibrium): Dynamics 关注的是系统趋向于或维持平衡的过程。例如,化学平衡,当正反应速率等于逆反应速率时,系统就达到了动态平衡。
驱动力(Driving Forces): 什么使得一个过程发生?通常是能量差或熵增的趋势。Dynamics 会分析这些驱动力,并预测过程的方向。
做功和热量(Work and Heat): Dynamics 明确定义了功和热量这些能量转移的形式,并研究它们与系统内能的关系。

所以,dynamics 关注的是“what is”和“why it happens”。它是一个关于状态的科学,是关于“为什么会这样”的探索,尤其侧重于能量的分配和转化。

关键区别总结:

可以将两者的区别类比于“旅游计划”:

Kinetics 就像是在规划你的旅行路线和行程安排:你需要知道每天要走多远,通过什么交通工具(机理),需要多长时间才能到达目的地,以及天气如何影响你的行程(影响因素)。它关心的是 “旅途的节奏和细节”。
Dynamics 则更像是决定你为什么要旅行,旅行的目的是什么,以及旅行的总成本和你能获得多少享受(能量)。它关心的是 “旅行的意义和最终的收获”。

在热力学(thermodynamics)的语境下,我们通常不会直接说“thermodynamic kinetics”。相反,我们会有“chemical kinetics”(化学动力学)来描述化学反应的速率和机理,以及“thermodynamics”(热力学)来描述能量转化、平衡和过程的自发性。

为什么会有这种词汇上的区分,而不是一个笼统的词?

这种区分非常重要,因为它们回答了关于一个过程的不同层次的问题。一个反应在热力学上可能是自发的(意味着它有能量上的驱动力使其发生),但如果其动力学过程非常缓慢,那么在实际中它可能几乎不会发生。例如,钻石在常温常压下是亚稳态的,热力学上它会转化为石墨(更稳定的状态),但由于转化速率极慢,我们日常接触到的钻石仍然是稳定的。这里,热力学告诉我们转化是“可能”的,而动力学告诉我们它有多“容易”或多“困难”。

再比如:风力发电机。
Dynamics 关注的是风的能量总量,空气的压力差,以及这些力量如何转化为电能,还有发电机是否能达到能量输出的最大化(效率)。
Kinetics 关注的是风吹到叶片上如何使其旋转,叶片转动的速度如何随风力变化,以及发电机的内部传动结构如何影响发电过程的速度和效率。

所以,尽管都包含“运动”或“变化”的含义,但“kinetics”聚焦于 速度、机制和过程的动态演变,而“dynamics”则更侧重于 能量、状态和驱动力,以及系统整体行为的规律。理解这两者的细微差别,对于深入掌握物理和化学等领域的概念至关重要。

网友意见

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有一组有趣的用作后缀的例子

Pharmacodynamics 药物效应动力学

Pharmacokinetics 药物代谢动力学

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kinetics具有唯象的意味,发展一套方法描述现象,并不追究现象背后的driving force,即驱动力,也不依赖于微观的原子分子模型。可类比于工科“力学”课程三大块中的“运动学”(kinematics,如马尔契夫《理论力学》,第一部分为“运动学”,第二部分为“动力学”)。运动学关注运动系统的几何信息,如轨迹、速度、加速度等,不需要已知系统的哈密顿量。kinetics的词源据说来自于希腊文“movement”的意思。而且出现这种字样,必然要讨论一个明显含有时间的问题。Chemical kinetics,是研究实验的反应级数、反应速率系数等物理量,较为宏观。理论研究集中在反应建模,用微分方程组描述一系列互相关联的反应。速率系数、散射截面等在这里是输入参数,来自实验测量。如果缺乏实验值,需要靠"上游"的dynamics计算得到。

吴大猷在其理论物理著作中提到:统计物理包括两部分:动力论(kinetics)和统计学。动力论指的是非平衡统计物理的相关含时理论,如H-定理、涨落-耗散定理、Boltzmann方程、主方程、Fokker- Planck方程、朗之万方程等。有意思的是,上述理论其结论不依赖于具体的哈密顿量,且包含时间、非平衡,可能是这种kinetics的特点。

下面放几张典型的kinetics,Boltzmann方程的slides。来源于Cheng-Zong Ruan在北师大的报告。如有版权冲突请告知。请注意小字部分,微观模型的结果是Boltzmann Eq. 的输入。

dynamics要追究运动背后的driving force。Dynamics来自于希腊语dunamis,意为“power”。理论力学三大块里“动力学”正是说的Dynamics。要结合系统的具体模型讨论问题,即必须知道系统的拉格朗日量或者哈密顿量。结合 Electrodynamics、Thermodynamics来看,dynamics要研究做功、能量的转化。看上去,讨论中不一定显含时间。Chemical dynamics,计算散射截面,具有量子态分辨,通常需要研究反应的势能面。研究方法有基于波包动力学的含时理论和基于S矩阵的非含时理论。

在分子动力学(molecular dynamics)模拟中,运用Markov State Model分析数据,会得到模拟过程的kinetics信息。

在隔壁回答看到一个搜集了大量证据的页面(来自于 @聚二甲基硅氧烷 的回答):


不过可惜帖子里罗渝然老师没有从事过chemical kinetics和chemical dynamics相关研究,对化学动力学(kinetics)和动态学(dynamics)的解释,实际上有R D Levine、Laidler等人的著作可以查阅。目前还有这本书:


正好我最近买了一本“Quantum Kinetic Theory”,作者Klaus Morawetz。书的第一章就阐明了目前统计力学里的kinetic theory是什么意思。放在这里。

而此书第五页这句话更加清晰地表明了kinetics和dynamics的不同研究对象。

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