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说一说物理中的dynamics和kinetics

已有 42113 次阅读 2012-2-25 16:14 |个人分类:高分子物理|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 物理, 力学, 动力学, kinetics

平时接触力学多些，经常碰到这两个概念，一次组会做报告，张立德老师提问，dynamics和Kinematics有什么区别，当时回答是，两个都可以说是动力学，经王晓明提醒，准确的说，dynamics是动力学，Kinematics是运动学，运动学里头没有力的概念，只是运动的表观表述；dynamics是dynamics研究的是运动变化和引起运动变化的原因【1】，Kinematics是经典力学的分支，研究的是体系的运动，不涉及引起变化的原因【2】，张老师当时比较肯定咱的回答，最近又看到这个讨论，就仔细再深究一下，里面所含信息比预想要多很多。

研究力学介绍质量概念时，由Kinematics引申出kinetics，由在物理和工程领域，kinetics是经典力学的分支，研究的是体系的运动和引起运动的原因，如力和扭矩；从二十世纪中期开始，在物理教科书里，dynamics（或者analytical dynamics）开始大量取代kinetics，在工程领域kinetics继续使用；【3】

博主王晓明认为：不好区分的是动力学的两个词，kinetics和dynamics。这个东西怪就怪当年搞科技名词的人，给“动力学”这个词赋予了两个意思。第一个意思里面，“动力”是一个词，就是研究一个过程的推动力的学问，这个就是kinetics。另外一个意思里面，“动力”是两个词，就是研究“动”和“力”之间关系的学问，这个就是dynamics。F=ma，应该归在这里面。

结合小木虫虫友touchhappy的解释，在物理领域，dynamic强调“力”，即研究运动与“力”的关系，基本所有dynamic的方程的出发点都是牛顿定律，如F=ma，等式的一边是力F，另一边是运动速度v或加速度a，可以把dynamic看成牛顿定律的推广，力的这边可能是重力可能是摩擦力等，速度这边可能最后用时间、频率或扩散系数等，如dynamic light scattering里常用的stokes-Einstein方程就是从基本的力学方程（牛顿第一定律）推出来的。所以研究力学问题时,通常就不考虑状态的变化,或者默认在某一瞬间内状态是不变的.如涉及颗粒扩散,链或链段的运动的问题就是dynamic问题.比如说dynamic光散射研究的是颗粒扩散(从而得出粒径等信息),所以是用dynamic；dynamic mechanical analyzer（DMA）研究的是外加一个“力F”看链段的响应（运动），所以也是用dynamic.虫友touchhappy认为， “kinetics强调的是运动或" 状态"的变化。如相变过程、反应过程中体系"状态"一直在发生变化,所以用kinetic。一个kinetic(如相分离、反应）过程，根本上说也是由颗粒的运动(如扩散dynamic）导致的,但kinetic关心的是状态的变化，如相尺寸与时间的关系、浓度与时间的关系、反应速率或转化率与时间的关系等，”可结合Chemical kinetics来理解。而dynamic关心的问题是在这过程中颗粒或链段受到的力的变化是如何影响运动的。所谓kinetic arrested (或 kinetic control)是相对与热力学（thermodynamic）而言的。比如说，有一个共混体系，从热力学参数上分析，是不相容体系，但是由于某些因素(如运动很慢，相分离很慢)，可能你在等很多小时（或很多天）都没看到明显的相分离，这时你可以说这种相容结构一个kinetic arrest的结构。又比如说，胶体分散体系从热力学上说都是不稳定(thermodynamic unstable)的体系，但是你可以看到很多胶体溶液很长时间（甚至一年等）都很稳定，这种也叫kinetic stable。又如玻璃化转变，有人说玻璃的稳定结构是kinetic arrest，热力学上是不稳定的，但动力学上被阻止了，当然这些也都是还存在争议的。

在wikipedia里，dynamic arrest直接转向glass transition【17】。Dynamic arrest是一个复杂系统中的主要现象central phenomenon，横跨生物、地质、材料、传输、交通等领域。有一个很重要的现象是，随着系统组成单元constituent units的密度或者相互作用增加，组成单元的运动快速减慢，系统最终进入冻结静止状态stand-still；dynamic arrest能够产生稳定态和记忆，是有益的，例如遗传学；另一方面，在交通运输领域是相当有害的。【18】

小木虫虫友phenix提供，一国外高分子物理教授认为：dynamics represents motion in different lengh scales；kinetics is associated with a transition；phenix认为，“一些对时间的微分方程我们也经常成为动力系统（dynamic system），统计物理里经常会有相空间（phase space）这样的概念，而演化过程则是相空间的一条曲线，这条曲线也就对应了体系状态随着时间的演变，而这个大家通常都成为dynamics。因此我一直对此不解，难道相转变不就是这样的一个过程吗？曾经给人做总结汇报时，曾给dynamics这样一个定义：一个物理量随着时间的演变过程。”

科学网网友soifaint认为在一些输运相关的领域，kinetics有个约定性的含义，就是相空间中的运动。如果只考虑位置空间的运动（例如液体的流动），叫做dynamics，如果要考虑分布函数的变化，那么叫kinetics.

科学网网友zhanglsci 认为dynamics一般的理解是：采用的数学描述中有和时间相关的项。力学里有一个二级学科叫做动力学与控制，其数学工具主要是常微分与偏微分，常微分的自变量就是时间，而偏微分所描述的系统是时变的，也就是含有时间项。对于与时间无关的情形，常微分方程描述的系统可以用代数方程来描述，偏微分方程时间项为零变为另一类型的偏微分方程。

化学中dynamics和kinetics，罗渝然老师认为，1. 对化学科学, 很难区分Kinetics and Dynamics的研究.2. 通常, Chemical kinetics 比较泛指, 包括宏观与微观的kinetics问题. Chemical dynamucs 多讨论微观问题. 但是, 这界限并不很明显.3. 我认为, 没有必要过分区分它俩, 如同我们希望区分什么是成都美食、什么是重庆美食那样.

说明：本文主要来自wikipedia，对于初次接触的概念，不熟悉时，wikipedia是非常好的帮手；

附：

1 经典力学三大分支

"statics" (研究平衡态和力的关系the study of equilibrium and its relation to forces); "kinetics" (研究运动和力的关系the study of motion and its relation to forces) and "kinematics" (研究运动变化的本质，不考虑引起运动的原因dealing with the implications of observed motions without regard for circumstances causing them).【4】

不采用kinetics的作者，会将经典力学分为两类kinematics和dynamics，（ statics 作为dynamics特例，合力和合力矩为零）【9】

2 dynamics和kinetics、Kinematics起源

Kinetics (Ancient Greek: κίνησις "kinesis", movement or to move)【5】因为是由Kinematics引申而来，所以有运动的倾向；Kinetics在物理、化学、医药等领域有应用；

Dynamics (from Greek δυναμικός - dynamikos "powerful", from δύναμις - dynamis "power") 【6】有力量的倾向，同时参考地址中有dynamics在物理、工程、社会心理、计算机、数学等领域概念的详细介绍

Kinematics The term is the English version of A.M. Ampere's cinématique, which he constructed from the Greek κινῆματ-, kinemat-, or κινῆμα, kinema (movement, motion), derived from κινεῖν, kinein (to move).【2】

3 Thermodynamics、chemical thermodynamics、Chemical kinetics Thermodynamics

热力学研究宏观系统的热现象和其他形式能量之间的转换关系，它包含当系统变化时所引起的这些物理量的变化，或者反之，当某些物理量发生变化时，也将引起系统状态的变化。广义的说，热力学是研究系统宏观性质变化与系统性质变化与系统性质变化之间关系的科学；【7】不能描述物质的微观成分，可以有统计力学推导其规律。【8】

通常用系统的宏观可测性质如体积、压力、温度、黏度、表面张力等（描述的是材料本体和辐射的平均性质）来描述系统的热力学状态，这些性质又称为热力学变量（thermodynamic variable）。【7】【8】

chemical thermodynamics

把热力学中最基本原理用来研究化学现象以及和化学有关的物理现象，就称为化学热力学。化学热力学的主要内容是，根据热力学第一定律来计算变化中的热效应，根据热力学第二定律来解决变化的方向和限度问题，以及相平衡和化学平衡汇中的有关问题。【7】

Chemical kinetics

将化学反应应用于生产实践主要有两个方面的问题，一是要了解反应进行的方向和最大限度以及外界条件对平衡的影响；二是要知道反应进行的速率和反映的历程（即机理）。人们把前者归属于化学热力学的研究范围，把后者归属于化学动力学的研究范围；【7】

4 motive power

经王季陶老师指点，深究了一下motive power，还是挺有意思的。

在不同的讨论背景下，motive power同义词还有work和power【12】；

1698年，Thomas Savery设计了第一个应用于工业蒸汽发动机，1712年，Thomas Newcomen 设计了第一台实用蒸汽发动机【10】，1776年，James Watt设计的蒸汽发动机在商业工厂里组装下线运行【11】，1824年，Sadi Carnot 发表了第一篇关于发动机能量学学术论文，在论文的脚注中，Carnot写到，“我们用motive power来表达发动机能产生的有效效应useful effect，这种效应总是和将重物提升一定高度有关。作为测量，效应为重量乘以提升的高度。”【12】1826年，Gaspard-Gustave Coriolis 第一次定义了学术名词work，“重量乘以提升的高度weight lifted through a height”；这也是基于早期蒸汽发动机用于，将水提升一定高度，从矿山中抽出来。【13】在thermodynamics里，系统做的work指的是，the external generalized mechanical constraints外界广义的力学约束测量出的转移到另一个系统的能量；除热以外其他各种形式被传递的能量都叫做功；【14】

5 Thermodynamics历史

这段有些跑题了，对历史有些小爱好所致，再者也想多了解些热力学，对热力学不感兴趣的可以忽略这部分！

出于增加早期 steam engines蒸汽机效率的需要，热力学得到了发展；尤其是通过 Nicolas Léonard Sadi Carnot 的工作，他认为提高热机heat engines效率是帮助法国去的 Napoleonic Wars胜利的关键，其父亲曾为拿破仑政府的内政部长。1854年 Lord Kelvin第一个起草了Thermodynamics的简结定义：“Thermo-dynamics是热和功（作用在物体相邻部分、热和电力设备相互关系的学科Thermo-dynamics is the subject of the relation of heat to forces acting between contiguous parts of bodies, and the relation of heat to electrical agency.”【15】

Thermodynamics最初用连字符拼写作为形容词thermo-dynamic，1854年至1868年thermo-dynamics作为名词，代表广义热机generalized heat engines科学【15】； William Thomson1850年创造了thermo-dynamic，1854年创造了thermo-dynamics；【16】Pierre Perrot认为，1858年， James Joule创造 Thermodynamics，代表热和功heat and power相互关系的学科；但是，James Joule从来不用Thermodynamics，而是使用perfect thermo-dynamic engine；【16】

1650年， Otto von Guericke设计制造了第一个真空泵并用Magdeburg hemispheres证实了真空；目的是证伪 Aristotle的假设“nature abhors a vacuum自然界憎恶真空”。

1656， Robert Boyle与Robert Hooke学习Guericke的设计，制造了空气泵，用这个泵Boyle and Hooke注意到了压力、温度和体积的关系；提出了 Boyle's Law，压力与体积成反比；

1679年，Robert Boyle的助手Denis Papin，制造了蒸汽蒸煮器steam digester，蒸汽发动机的前身；后来其构思了活塞气缸的想法；

1698年，Thomas Savery设计了第一个应用于工业蒸汽发动机，

1712年，Thomas Newcomen 设计了第一台实用蒸汽发动机【10】，

早期的发动机粗糙且没有效率，但是，引起了当时顶尖科学家的注意；

1776年，James Watt设计的蒸汽发动机在商业工厂里组装下线运行【11】；其构思的外部凝结器 external condenser ，极大的提高了发动机效率；其所在的the University of Glasgow， Joseph Black发展了热容和热的概念，当时James Watt为该校的仪器制作者an instrument maker；

1824年，根据前人的工作，热力学之父，Sadi Carnot，发表了 Reflections on the Motive Power of Fire，（对燃烧做功的看法），讨论了热、功、能量和热机效率；这标志着热力学作为现代科学的开始。

1850s，热力学第一第二定律同时提出，主要是 William Rankine, Rudolf Clausius, and William Thomson (Lord Kelvin)的工作；

1859年 University of Glasgow的William Rankine写了第一本热力学教科书；

James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius and J. Willard Gibbs，构建了统计热力学的基础；

1873–76，数学物理学家Josiah Willard Gibbs，发表一系列三篇文章，阐述了自发过程的判断；

19世纪， Pierre Duhem写了化学热力学的书；

20世纪早期， Gilbert N. Lewis, Merle Randall,and E. A. Guggenheim将吉布斯的数学方法用于化学过程；【15】

【1】http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamics_(mechanics)#cite_note-Phys-tut-force-1

【2】http://en.wikipedia.org/wiki/Kinematics

【3】http://en.wikipedia.org/wiki/Kinetics_(physics)

【4】http://en.wikipedia.org/wiki/Analytical_dynamics#Relationship_to_statics.2C_kinetics.2C_and_kinematics

【5】http://en.wikipedia.org/wiki/Kinetics_(disambiguation)