刘全慧
热力学统计物理教学研究的一个标志性成果
2025-8-9 11:42
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文章5月份纸质本出版,8月份上线,参见第二部分。在AI时代,这个节奏是有点不太合拍,不过,对我重读这篇文章来说,间隔却也合适。再读一遍,依然觉得这是热力学统计物理教学研究的一个标志性成果。

本文是系列故事的第三篇,前两篇分别是

1,2023年度最佳问题:一种不直接使用配分函数的玻尔兹曼统计理论

2,科学网奇缘----两位网友同时发现了吉布斯佯谬的新解法

一, 教材中对吉布斯佯谬的不当处理长期存在

郝柏林先生曾经说过:“教科书就是要把故事编的圆一点。” 但是,热力学统计物理教科书往处理吉布斯佯谬的方式,不在此列。这个领域的开辟者和主要传播者,处理吉布斯佯谬的方式有很大的纰漏。这个纰漏是,把一个热力学变量处理成了参量。

热力学一开始写热力学基本方程的时候,就是针对粒子数固定的系统,也就是基本方程是

而熵的定义是,对于可逆过程,克拉修斯熵差为

如果将克拉修斯熵差公式积分,需要加上一个关于粒子数的任意函数f(N),也就是

关于克拉修斯熵,Jaynes曾经给出如下警告:“当我们断言这一熵差未必具有广延性时,许多人感到惊讶;他们的第一反应是:“两块砖的热容量必然是一块砖的两倍,那么克拉修斯熵怎么可能不具备广延性?”要理解这一点,需注意:当热容量与分子数N成正比,且压强仅取决于单位分子体积V/N时,熵差确实与分子数N成正比——但这一条件并非必然成立;即便成立,也远不足以使熵本身具有广延性。” (in Maximum Entropy and Bayesian Methods, (1992) pp.1-22)

为了看出克拉修斯熵差中给出的熵表达式中的问题,给出汪志诚先生的结果(第六版,分别取自p.158-159,p.176),其中第二幅图片中的已将积分常数选择为零,是一个多么荒唐的错误。在上文中,Jaynes展示过,如果考虑到了熵的广延性,很容易得到正确的结果。

王竹溪.jpg屏幕截图 2025-08-09 112249.jpg

其中f0为一个纯数可以吸收到(7.6.1)式的最后一项里。因此可以得到正确的熵的表达式。

二, 引入了热力学粒子数表象后佯谬立刻消失

p2.jpg

三,结语

热力学统计物理中的吉布斯佯谬是一个老大难问题,历史太长,迷雾太重。通过引入热力学粒子数表象,问题彻底消除。在所有解决吉布斯佯谬的方案中,这个方案最简单。

研究问题的开始,是由于一位学生的乱算的结果得不到理解。对待这种学生提出的疑难问题,可以有三种处理方式:1)告诉学生这不是标准的途径,不必追求理解它的意义;2)告诉学生老师不知道结果,请学生自己思考;3)老师从科研的角度审视这个问题,带领学生深挖。毫无疑问,只有第三种才是大学教学正确的方式。岳麓书院师生对出传世名联“惟楚有材,于斯为盛”,说明师生之间,需要“不隔”才行。

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