透過熱流實現平衡狀態下無法存在的「不穩定狀態」

高知工科大學的遠藤 瞳(大學院修士課程2年)與小林未知數教授(理工學群)透過自行開發的「一維計算模型」,解析了熱流持續不斷的「非平衡定常狀態*1)」下的相轉移*2)現象，並證實了不同狀態共存的邊界(界面)溫度，會偏離傳統觀念中的「平衡狀態轉移溫度」。 此研究成果強烈支持了近年提出的全新熱力學理論「大域熱力學*3)(Global Thermodynamics)」的普遍性，並顯示出原本不穩定且會迅速消失的狀態，有可能透過熱流被穩定地控制。此外，該研究導入了高中數學的微分概念延伸出的模型(分數階微分*4)),大幅削減了原本需要龐大計算量才能進行的解析所需的計算成本，此點也獲得高度評價。 本研究已於2026年6月2日刊載於美國物理學會發行的權威國際學術期刊「Physical Review E」。

【研究成果重點】

發現熱流存在時「相轉移的常識」將會改變

顯示出在平衡狀態下「不穩定狀態」有可能被穩定實現

支持非平衡熱力學的新理論「大域熱力學」的普遍性

透過「分數階微分*4)」的數學手法解決大規模模擬的難題

【研究內容與成果】

物質會因溫度呈現固體、液體、氣體等不同狀態，其邊界溫度稱為「相轉移溫度」。例如，水在平衡狀態下於0°C時固液共存，於100°C時液氣共存。此類相轉移*2)可由平衡熱力學*5)理解，然而在熱流持續不斷的非平衡狀態下的相轉移，仍有許多未解之處。

本研究透過數值模擬，探討了在熱流存在的非平衡定常狀態*1)下，分隔兩種相的界面溫度。結果證實界面溫度顯著偏離平衡狀態下的相轉移溫度。這意味著在平衡狀態下不穩定且無法長時間存在的準穩定狀態，能透過熱流被穩定化。

此外，本研究確認此結果與近年提出的非平衡定常狀態熱力學理論「大域熱力學*3)」的預測高度一致。本研究不僅顯示了在非平衡狀態下廣泛假設的局部平衡假說在相共存界面處被打破，也是支持大域熱力學有效性的重要結果。

本研究的另一大特點是，為有效解析通常需要極大規模計算且難以重複驗證的相轉移現象，導入了被稱為「分數階微分*4)」的數學手法，這是高中微分概念的延伸。此手法大幅削減了非平衡相共存狀態高精度模擬所需的計算成本。

【未來展望】

本研究確認的現象，可能是一種不依賴特定模型或空間維度的普遍現象。未來將進一步在氣液轉移*6)、固液轉移*7)、液晶的向列轉移*8)等實驗系統進行驗證，並期望能從理論上闡明其與非平衡定常狀態統計力學描述的關係。

此外，本研究採用的分數階微分數值解析手法，有望成為推動過去因計算成本高昂而難以進行的非平衡相轉移研究的一大進展，並期待其有廣泛的應用。

【術語解釋】

*1)非平衡定常狀態 指能量或物質不斷從外部流入、流出，但整體狀態保持穩定不變的狀態。相較於「平衡狀態」是完全停止的「靜止穩定」,非平衡定常狀態的特徵是「持續運動卻保持穩定」。例如，金屬棒從熱端到冷端持續傳導熱量，但溫度分布保持恆定的狀態即為此例。細胞活動、引擎燃燒、交通流等自然界與生命現象的許多情況都處於此狀態，是現代物理學中亟待解明的關鍵主題之一。

*2)相轉移(相變) 物質從一種狀態轉變為固體、液體、氣體等不同狀態的現象。

*3)大域熱力學(Global Thermodynamics) 一種新的理論體系，不透過疊加系統局部(局所)的變化，而是將系統整體(大域)視為一個單元，描述其能量與物質的行為。即使內部存在劇烈的能量流動(非平衡),也試圖闡明貫穿整個系統的「普遍法則」。此理論能以一個宏觀規則一致地解釋過去個別研究的複雜現象。此理論也期望能成為下一代能源管理技術與奈米科技的指導方針。

*4) 分數階微分(分數維分) 一種數學概念，是高中微分的推廣。一般微分僅使用鄰近資訊，而分數階微分則能納入遙遠區域的影響。本研究利用此特性，以低計算成本的模擬重現了通常僅能透過大規模模擬才能獲得的相轉移現象。

*5) 平衡熱力學

處理物質狀態與能量變化的物理學分支，旨在闡明處於「與外界能量交換停止、穩定狀態」的物質性質，例如杯中水與周圍溫度相同、蒸發與凝結皆停止的平衡狀態。此學問於19世紀為提高蒸汽機效率而發展，是現今物理學、化學、材料工程學的基礎。同時，它也被用作理解生命活動、氣象現象等持續有能量流入且不斷變化的「非平衡」現象的重要基準。

*6) 氣液轉移(氣液相變) 物質狀態從「液體」轉變為「氣體」,或從「氣體」轉變為「液體」的現象。例如，水加熱至100°C沸騰變成水蒸氣，此時物質的密度與性質並非「連續變化，而是在某一點後發生劇烈改變(相轉移)」是其主要特徵。

*7) 固液轉移(固液相變) 物質狀態從「固體」轉變為「液體」(熔化),或從「液體」轉變為「固體」(凝固)的現象。冰融化成水的日常現象即為此例。

*8) 向列轉移(向列相變) 物質狀態從分子方向雜亂無章的「液體(各向同性相)」轉變為分子方向排列整齊的「液晶(向列相)」的現象。透過熱或電控制此「方向的整齊度」,可以改變光線的通過方式，這是液晶顯示器的基本原理。此現象不僅是液晶電視，也是智慧型手機螢幕、下一代光開關與感測器等所有操控光的裝置的基礎。

【研究經費】

本研究由日本學術振興會科學研究補助金(科研費編號:23K22492, 24K00593, 26K07020)支持。

【論文資訊】

標題:Violation of local equilibrium thermodynamics in one-dimensional Hamiltonian-Potts model

作者:Hitomi Endo and Michikazu Kobayashi

刊載期刊:Physical Review E 113, 064109 (2026)

公開日:2026年6月2日

DOI:10.1103/rz4l-krv6