报告人: 王季陶教授 复旦大学

2012年11月20日复旦大学物理系物质科学报告.

录像和PPT投影同时放映, 效果宛如亲临现场.

mp4视频(17分35秒):  

http://v.youku.com/v_show/id_XMTc2MDkwNTAxMg==.html?from=s1.8-1-1.2&spm=a2h0k.8191407.0.0

摘要: 我们要站在巨人肩膀上, 进行基础理论的创新. 千万不能反对热二律否则涉嫌设计第二类永动机.

现在我们完全有条件站在巨人肩膀上, 进行学科领域的创新. 一个假定都不要. 那我们现在拿Clausius的原话和熵产生原理的数学表达式, 两个一结合, 重新写一遍. 大家听听:

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热力学第二定律断定: 自然界中的所有自发过程都是不需要补偿(compensation)地由它们自己向正方向进行(经典热力学第二定律[d_iS₁=d_iS >= 0]); 但是对负方向的非自发过程, 它们就只可能在同时发生的自发过程的补偿(或“耦合”)下进行(现代热力学第二定律[d_iS₁>0, d_iS₂< 0 & d_iS >= 0]).

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这话还是Clausius原话的意思. 而有点变化. 不是他的原话, 在这儿稍微作了一些修改, 但是还是按照他的意思. 就是说: 热力学第二定律断定: 自然界中的所有自发过程都是不需要补偿地由它们自己向正方向进行.这是Clausius原来话的意思.不是原话但是原话的意思. 因此经典热力学第二定律就是[d_iS₁=d_iS >= 0], 一个系统里面只有一个过程. 过程的熵产生和系统的熵产生是一回事. d_iS大于等于零, 行了. 甚至于连d_iS₁都不要, 讨论简单体系么, 里面只有一个过程, 就讲系统熵产生大于等于零, [d_iS >= 0] 可以了. 等号[d_iS = 0]就是平衡热力学, 不等号[d_iS > 0]就是非平衡热力学. 那么这在教科书中一点也没有错. 然后下面一句话: 但是对负方向的非自发过程, 它们就只可能在同时发生的自发过程的补偿(或“耦合”)下进行. 现代热力学第二定律的数学表达式: [d_iS₁> 0, d_iS₂<0 & d_iS >= 0], 就是自发过程d_iS₁大于零[d_iS₁> 0]. 第(2)个过程, 它是非自发过程. 它的熵产生是负的[d_iS₂< 0]. 但是整个系统必需要熵产生大于等于零[d_iS>=0]. 两个一加还是要大于等于零[d_iS = (d_iS₁ + d_iS₂) >= 0]. 那么它就是现代热力学的热力学第二定律[d_iS₁> 0, d_iS₂<0 & d_iS >= 0].

话说2007年重新发现Clausius1865年克氏完整表述. 哎呀, 原来Clausius不仅仅是热力学学科的最重要奠基人, 或者是奠基人之一. 现在发现他还是现代热力学的启蒙大师! 因当时还没有熵产生原理, 也没有作进一步讨论到数学表达式. 这样一来, 我们拿[1865年克氏完整表述] 加上熵产生原理[d_iS >= 0], 马上就得到学科领域的创新. 学科领域的创新得到什么东西, 就得到[热力学完整基本分类].

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[插话]: 怎么定义现代热力学. [回答]: 你看: 上面是经典热力学, 处理的对象是简单体系, 只有自发过程或可逆过程. 下面处理的是复杂体系, 至少同时包含自发过程和非自发过程. 这就是现代热力学. 数学表达式更不相同. 一个是: [d_iS₁=d_iS >= 0], 而另一个是: [d_iS₁> 0, d_iS₂<0 & d_iS >= 0].

经典热力学的名词, 不是我提出来的. 那么Clausius的完整表述, 你说是经典热力学还是现代热力学? .

[插话]: 那当然是经典热力学. [回答]: 那问题就来了. 现在的热力学教科书为什么都不提它呢?

[插话]: 回到前面, 1850年Clausius表述: “不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响.” 那反过来就可以说: 如果有其他影响, 就可以把热从低温物体传到高温物体.  [回答]: 大家到热力学教科书中去查. 讲到把热从低温物体传到高温物体的其他影响就举例家用冰箱, 需要外界的电源. 它说的其他影响是指外界的影响, 而不是内部的.

[插话]: 那本质上不能违反熵增原理或熵产生原理. [回答]: 那很好. 我就讲一个例子, 低压人造金刚石为什么没有其他人解决? 如果经典热力学可以解决, 低压金刚石这么多年从70年代到现在, 40年了, 没有一个经典热力学的模型可以解决.

[陶插话]: 低压金刚石中的氢, 起了催化的作用. [回答]: 错了, 完全错了! 我说一句话, 催化的特点, 催化的定义是: 催化剂在反应物和生成物中是相同的, 前后是不变化的. 现在低压金刚石工艺中, 进去的氢原子出来的氢分子, 完全变了! 完全不是催化! 催化有明确的定义! 催化剂一定要前后不变.

刚才的问题说不产生其他影响, 有的书讲得还要明确说, 不产生外界影响. “低压人造金刚石违反热力学”的说法, 是过去经典热力学书中说的, 不是我们说的. 现在是经典热力学解释不了. Clausius的完整表述和教科书介绍的表述不是等价的. 是在不同的层次上. 如果你认为: Clausius的扩展表述和经典热力学是一样的, 那为什么要在课程和教科书中加以隐藏呢? 至少不应该加以隐藏. 也不能够从单一过程推导出耦合的现象. 它们不是等价的, 它们是一个体系的内容, 但是两个不同的层次. 再看数学表达式就更清楚了. 两者完全不同.  

我们刚才讲的数学表达式是这样写的, 你看到吗, 简单系统的数学表达式和复杂系统的数学表达式是完全不一样的, 不是相同的, 包括不进去的. 你看这个复杂系统的判据中, 有自发过程和非自发过程, 这在刚才的经典热力学的判据中是没有的.

[插话]: 是放热大于吸热. [回答]: 是自发过程提供的有效能量大于非自发过程所需要的能量.  

[插话]: 是环境对它做功. [回答]: 你这一句话就漏出来了. 现在讲的是内部提供的有效能量.

[蒋插话]: 相当于把整个体系分成两个子体系. 一个子体系提供能量給另外一个子体系. 一个子体系对另外一个子体系就是外部. [回答]: 我告诉你: 把整个体系分成两个子体系,一个是自发体系, 另一个是非自发体系, 你马上就错误, 完全错误! 你不信就试试看!  

[一位女士: 插话]: 现代热力学中有没有全是物理过程的? [回答]: 也有. 等一下我要讲到.

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好! 至少到现在, 不讲旁的, 我没有把Clausius的原话篡改意思. 按照他的意思来阐明. 然后你看就得到这样一个[热力学完整基本分类], 见图1. 你有什么意见没有?  

图1 热力学学科的完整基本分类

现在热力学课程教的内容就是平衡热力学和非平衡热力学, 或者叫做可逆过程热力学和不可逆过程热力学. 没有讲到另外一边. 对这右面的部分整个就没有教. 我们把这右面的部分的每一个分支领域, 一个个例子都可以举出来. 甚至于定量的非平衡相图的例子都可以举出来. 你说这是不是一个创新的进展. 我不认为: 我现在提出的热力学, 推翻了过去的热力学.

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[插话]: 可以这样理解, 把以前的热力学叫简单体系的热力学. 现在是针对复杂体系的, 其他没有变.. [回答]: 我告诉你, 我查过, Clausius从1865年到1875年期间反复强调“补偿”.

[插话]: 王竹溪书里也提到过一笔, “补偿”. [回答]: 可是始终没有拿Clausius(1865年扩展表述)原话拿出来. 不讲这个了, 我现在根据Clausius的(1865年扩展表述)原话的精神加上熵产生原理得到这样一个完整分类, 有什么意见? 我没有引进任何假定.  

[插话1]: 我觉得学的热力学中只是例子都是简单体系. [插话2]: 就是简单体系的热力学. [回答]: 对!

[插话]: 现代热力学只能讲小体系的热力学. [回答]: 两个不同的概念. 低压金刚石不是小体系, 10个克拉都能长.

[插话]: 是复杂一些的例子. [回答]: 对啊! 现在处理的就是复杂体系的热力学. 一点也没有错. 就是复杂体系热力学, 或者叫耦合体系热力学. “简单”和“复杂”的名词用得太多了.

[插话]: 飞跃, 要规律都变了. [回答]: 无所谓“飞跃”不“飞跃”. 我没有讲过“飞跃”不“飞跃”. 你说, 从这样的绿色的小范围用到红色的这样的大范围, 你说, 是不是“飞跃”!

[插话]: 你的理论没有变. [回答]: 现在里面的数学表达式都变了.  

[插话1]: F=ma我可以包括很多东西, 动量守恒都出来了, 但是本质上还是F=ma. [插话2]: 还是经典力学. 然后是量子力学, 相对论力学. [插话1] 我觉得你就是把热力学的基本思想用到复杂体系, 把问题讲得很明确, 很清楚. [回答]: 对啊! 我认为也就是这么一点啊! 特别是我找到Clausius的原话. 这个功劳不要算在我的头上. 我算在Clausius头上. 对不对啊! 尊重前人, 把Clausius原话如实地告诉大家. 用Clausius原话破竹时非常锋利啊! 一下子破到底了. 你说: 这是我的功劳, 我不敢这样说, 因此说是重新发现了Clausius的扩展表述! 这句扩展表述在教科书和课堂上没有給同学们讲啊!

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哪好, 我们看下面的例子. 至少到现在, 我没有引进任何假定. 那末, 非平衡态从Carnot 到Clausius 都必须引入局域平衡近似, 即使我们说: “房间里里边高0.5度, 外边低0.5度.” 这时就有了局域平衡近似. 这个我们不去讨论. 好, 这儿还要强调一点, 即使如此, 不要认为这张[热力学学科的完整基本分类]已经把热力学完全包括在内. 因为熵判据不是唯一的热力学判据. 在引力场的热力学中, 熵判据不能用. 这在王竹溪的书中讲到的. 这不是我的工作, 这时要用能量的判据. 在这张[热力学学科的完整基本分类]中摆了熵判据, 实际上适用范围已经不是所有的热力学适用范围了. 这都是热力学的基本知识.