論文の概要: Universal Foundations of Thermodynamics: Entropy and Energy Beyond Equilibrium and Without Extensivity

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.09986v1
• Date: Tue, 10 Feb 2026 17:12:20 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-02-11 20:17:43.699566
• Title: Universal Foundations of Thermodynamics: Entropy and Energy Beyond Equilibrium and Without Extensivity
• Title（参考訳）: 熱力学の普遍的基礎:エントロピーと平衡を超えたエネルギーと拡張性のないエネルギー
• Authors: Gian Paolo Beretta,
• Abstract要約: 熱力学の基礎の基礎を普遍的に定式化する。 エントロピーとエネルギーは 平衡を超えて定義されます この論文は、教育と近代的応用の両方に一貫性のある基礎を提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
• Abstract: Thermodynamics is commonly presented as a theory of macroscopic systems in stable equilibrium, built upon assumptions of extensivity and scaling with system size. In this paper, we present a universal formulation of the elementary foundations of thermodynamics, in which entropy and energy are defined and employed beyond equilibrium and without assuming extensivity. The formulation applies to all systems -- large and small, with many or few particles -- and to all states, whether equilibrium or nonequilibrium, by relying on carefully stated operational definitions and existence principles rather than macroscopic idealizations. Key thermodynamic concepts, including adiabatic availability and available energy, are developed and illustrated using the energy-entropy diagram representation of nonequilibrium states, which provides geometric insight into irreversibility and the limits of work extraction for systems of any size. A substantial part of the paper is devoted to the analysis of entropy transfer in non-work interactions, leading to precise definitions of heat interactions and heat-and-diffusion interactions of central importance in mesoscopic continuum theories of nonequilibrium behavior in simple and complex solids and fluids. As a direct consequence of this analysis, Clausius inequalities and the Clausius statement of the second law are derived in forms explicitly extended to nonequilibrium processes. The resulting framework presents thermodynamics as a universal theory whose concepts apply uniformly to all systems, large and small, and provides a coherent foundation for both teaching and modern applications.
• Abstract（参考訳）: 熱力学は、安定平衡におけるマクロ系の理論として一般的に示され、拡張性とシステムサイズによるスケーリングの仮定に基づいて構築される。 本稿では,エントロピーとエネルギーが平衡を超えて,拡張性を仮定することなく定義される熱力学の基礎的基礎の普遍的な定式化について述べる。 この定式化は、マクロ的な理想化ではなく、慎重に定義された運用定義と存在原理に依存することにより、大小小小多数の粒子を含む全ての系と、平衡あるいは非平衡の全ての状態に適用される。 非平衡状態のエネルギー-エントロピー図表現を用いて、断熱可用性や利用可能なエネルギーを含む主要な熱力学の概念を開発し、任意の大きさのシステムに対する不可逆性と作業抽出の限界に関する幾何学的な洞察を提供する。 論文のかなりの部分は、非作業相互作用におけるエントロピー移動の解析に費やされ、単純で複雑な固体および流体中の非平衡挙動のメソスコピック連続論において、熱相互作用と熱拡散相互作用の正確な定義が導かれる。 この分析の直接的な結果として、クラウシウスの不等式と第二法則のクラウシウスの不等式は、非平衡過程に明示的に拡張された形式で導かれる。 得られた枠組みは熱力学を、大小の全てのシステムに一様に適用する普遍理論として提示し、教育と近代的応用の両方に一貫性のある基礎を提供する。

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