刘全慧
《热•统》批判性教学第三章:虚位移
2014-12-13 17:28
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标签:物理学, 热力学, 虚位移

教材中第三章内容为《单元系的相变》,第一节为“热动平衡判据”。设有一封闭系统已经达到平衡态,此时熵S极大,问这个平衡对物理有如何要求?  

对这个问题的考察,利用的武器就是先假设有对平衡态出现了小偏离,然后看系统的演化方向。而这个偏离可以是真实的,也可以用虚假的。前者对应导数,后者对应于变分。真实改变的物理基础是涨落耗散定理,形易实难;而虚假的改变的基础是虚位移(virtual displacement)原理,形难实易。

虚位移法不仅仅为王竹溪学派所用,也为俄国的Bazarov学派所用。

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Bazarov学派是对俄罗斯科学界对Bazarov(1916-2005)盖棺定论

Bazarov founded his own school of teaching of thermodynamics in the universities of our country.

---- CHRONICLE“Ivan Pavlovich Bazarov (1916-2005)”, Russian Journal of Physical Chemistry, 80(2006) 313.

 俄国官方的这个评价很是保守, 仅仅说教学学派。国际上认为这个学派其实不仅仅是教学也是科研的学派不过在中国,甚至“王竹溪《热力学》教学学派”一说都少有附和。

Bazarov有多种著作传世,其中1983年第3版《热力学》有中文译本。沙振舜和张毓昌译,高教社,1988。

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读完王竹溪还是Bazarov,很难看出虚位移和实位移的差别。在中文文献中,直接把虚位移等同于实位移者不在少数。其实,这里只要在讲课的时候注意一点次序,就可以把虚位移和实位移不同的本质特征充分显露出来。

一,虚位移的数学条件:熵可增加也可减少

首先把这个问题转化为一个数学问题:设一个函数S有两个自变量:内能U和体积V,

S=S(U,V)

将该闭系分为任意两部分,体积分别为V1V2,内能分别为U1U2,而他们满足两个约束条件:

V1+V2=VU1+U2=U

其中VU为常数。何为虚位移? 定义很简单:约束容许的无限小位移。约束是: 

δV1+δV2=0δU1+δU2=0

函数S=S(U,V)的改变ΔS是

ΔS=δS+δ2S+…=( $\partial$ S1/U1- $\partial$ S2/U2)δU1+( $\partial$ S1/V1- $\partial$ S2/V2)δV1+...

ΔS可以增加,可以减少,当然也可以为零。也就是仅仅是约束容许,并不要求物理上真实存在。虚位移之虚,表现就在这里!

到止为此,都是数学上的要求,没有加上任何物理的条件。满足约束而违背真实物理的位移,都可能出现在虚位移里。

二,虚位移的物理要求:熵只可能减少

现在加上物理条件。

条件之一,部分1,2分别达到了热力学平衡态,也就是分别满足热力学基本热力学方程,然后有 $\partial$ S/U=1/TS/V=p/T

条件之二,熵已经达到极大值,所以δS=0δ2S<0

由于结论和选1,2部分的大小没有关系,不妨设V1<< V2。于是有如下关系:

δS=δS1+δS2=(1/T11/T2)δU1+(p1/T1p2/T2)δV1

δ2S $\approx$ δ2S1

最后得到物理结论:T1=T2,p1=p2Cv>0, p/V)T<0.

三,通常分析中的一个小小瑕疵

由于很容易证明,

δ2S=Cv/T2(δT)2+(1/T)p/V)T(δV)2

那么,“如果要求δ2S对于各种可能的虚变动都小于零,应有Cv>0, p/V)T<0。”

数学运算没有问题,物理结论也完全正确。

但是,此时温度已经是整个系统的一个强度量,平衡后不能变化。也就是,温度T相当于V1+V2=V中的V,虚位移δT=0!  此时从上面的δ2S<0出发仅仅能导致导致p/V)T<0

这是怎么回事?

当然,这仅仅是一两句话的问题。不过,Bazarov的推导就没有这个瑕疵!

四,结语

在利用虚位移原理讨论物理问题的时候,需要先把数学处理干净,然后加上物理条件。

虚位移中的虚,能虚到什么程度呢? 可以是完全的虚无,仅仅存在于人类的思维之中。这是何等诗情画意的一件事!

虚位移原理就是能在这种虚无中求出真实的位移来。

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