作者 王季陶

早上看到徐光华老师给我留言, 讨论热力学. 按章办事, 我立即打开“回复”窗口, 认真回复. 写了不少内容, 然后点击 “回复”按钮一次, 不敢多击! 多击就会重复 “回复”. 于是耐心等待. 最后什么都没有出现, 一切消失了! 花了不少时间的回复全都不见了!! 吸取教训, 无奈, 一切从头开始!!!  干脆发表在博文中作为回复, 牢靠些.

回复:

 徐老师,

谢谢. 学习你的读书精神. 大学毕业后, 再坚持不断读书的人不多.

1.      首先要弄清楚, 你考虑的对象是单过程的简单体系, 还是复过程的复杂体系? 如果你考虑简单体系, 如气体的压缩或膨胀, 那末经典热力学完全能满足你的要求. 不必考虑现代热力学. 如果你把生命体系, 燃料电池, 低压金刚石, 循环反应, 化学振荡, 螺旋反应等, 所谓 “反常”现象考虑在内, 那你就非采用现代热力学不可.

2.      卡诺循环中的每一个变化都是单过程的简单体系问题. 只需要经典热力学就行. 以上所说的循环反应是指自动在连续变化的反应. 例如, 仔细研究心脏跳动, 左心房, 右心房, 左心室和右心室是分别在不同的时间段中收缩或膨胀的, 最后组成一个循环的变化. 其中每一步都是复过程的复杂体系.

3.      以下先集中回复“可逆”和“非耗散”概念的差别和异同. 在经典热力学中, 只需要 “可逆”一个概念. 因为“可逆”的过程, 一定是 “非耗散”的. 也因为在单过程的简单体系中, 例如气体膨胀和压缩, “可逆”概念也是容易理解和接受的. 但是 “可逆”的要求在复过程的复杂体系中, 是难以接受的. 例如生命体系能不能 “可逆”1秒钟? 不能! 同时也是不必要的, 因此可以不提 “可逆”, 而提 “非耗散”.  

4.      “理想的卡诺循环是非耗散的”, 这是对的. 同时可以说: 理想的燃料电池是非耗散的. 但是不能随便说: 理想的燃料电池是可逆的. 更不能说: 理想的生命是可逆的. 就以甲烷和氧燃烧生成CO2+H2O为例. “在理想情况下, 其最大输出功等于吉布斯函数的减少量: W_e = -DG.” 而且数学式子都写出来. 输出功等于吉布斯函数的减少. 也就是定量地, 理想情况下, 100%的能量转换. 但是要注意: 是有效能量的转换. 因为吉布斯自由能本身指的就是有效能量. 所以这是完全定量的. Holman [J.P. Holman, Thermodynamics, 3rd ed. McGraw Hill (1980), 中译本, 曹黎民等译, 热力学, 科学出版社(1986)] 在1980年就说了, “燃料电池: … 该装置能使化学能直接转换成电能. 这样一种转换不受卡诺原理限制.” 就写得非常清楚. 但是他没有明确提出扩展卡诺定理. 千万记住, 要求CO2+H2O可逆地生成甲烷和氧, 是不可能的. (可能生成甲烷以外的各种有机化合物) 燃料电池就可以成为你所说的例子来区分, 可逆, 非耗散以及耗散. 任何实际的燃料电池都是耗散的. W_e < -DG.

5.      你说“卡诺定理在言语表述上需要改进一下”, 这是不需要的. 因为热力学只讨论宏观现象. 并不涉及气体内部的微观状态.

6.      欢迎你继续讨论. 先把 “可逆”和 “非耗散”弄清楚. 同时这就要求你深入到任何一个复杂体系的实际例子中. 如生命体系, 燃料电池, 低压金刚石, 循环反应, 化学振荡, 螺旋反应等.

补充一点: 螺旋反应应该是耗散的, 理想的非耗散的螺旋反应将成为单向(平面)循环反应. 但是理想的单向的(平面)循环反应仍然可以是耗散的, 靠外界不断补充能量等.