低压金刚石的热力学耦合模型是低压人造金刚石成功40多年来国际上至今能够经受实践考验的唯一热力学理论. 不仅如此,还创建了一个非耗散热力学的全新领域, 这也是现代热力学的核心. 非耗散热力学属于热力学第二定律的等式部分,因此可以进行定量化的计算, 得到的结果和世界范围低压金刚石的可靠实验对比可以达到定量相符.

这样的领域创新机遇真是热力学学科诞生的150年来的第一次.千万注意:热力学是一门非常严谨,非常基础的近代科学学科.不需要也不能引入任何其他学科的假定和前提,否则就不是真正的热力学!

卡诺从当时热机的事实出发,突破了当时牛顿力学的一统天下;而这次从当前低压人造金刚石的坚硬事实出发,突破了经典热力学一统热力学学科的局面.真是世纪难逢的创新.值得我们珍惜,努力实现在国际上引领热力学基础理论发展的中国梦!

热力学第二定律的各种表述历来就是人类宏观经验的总结,甚至应该是“妇孺皆知”. 完整的热力学第二定律最新表述也不例外,应该就是:“宏观世界中, 自发过程都自动趋向于能量耗散; 而非自发过程只能在同时自发过程的耦合或补偿下进行, 总的(体系和环境)能量耗散不可能为负, 并趋向于耗散最小化, 理想的极限是零耗散(即非耗散).” 自然界(不包括宇宙等)中所有的宏观变化无非就是“自发过程”和“非自发过程”两大类. 因此可以说热力学就是“包罗万象”(不包括宇宙等)的时间箭头. 意义深远可想而知.

话说回来, 非耗散热力学究竟是怎么一回事. 低压人造金刚石的热力学耦合模型可以归纳为三个化学反应式. 而热力学耦合的数学表达式[∆G₁<0, ∆G₂>0 & ∆G≤0]就更简单了(为了简化本文只讨论等温等压的情况).  而热力学第二定律最新表述结尾处所说的“理想的极限是零耗散(即非耗散)”, 和[∆G₁<0,∆G₂>0 & ∆G=0] 就是“世纪难逢的领域创新: 非耗散热力学”!

我们知道:经典热力学适用于只考虑自发过程的简单体系[∆G₁ = ∆G ≤ 0]或简单体系[∆G ≤ 0], 过程和体系的吉布斯函数永远相等.因此等式判据对应于平衡热力学(或可逆过程热力学)就是:[∆G₁ = ∆G = 0]或简单体系[∆G = 0], 不等式判据对应于非平衡热力学(或不可逆过程热力学)就是:[∆G₁ = ∆G < 0]或简单体系[∆G < 0]. 现代热力学适用于耦合复杂体系[∆G₁<0, ∆G₂>0 & ∆G≤0]. 因此等式判据对应于非耗散热力学就是:[∆G₁<0, ∆G₂>0 & ∆G = 0], 不等式判据对应于耗散热力学就是:[∆G₁<0, ∆G₂>0 & ∆G < 0]. 图1所示的2002年Springer出版的“非平衡非耗散热力学”一书可以说是该领域创立的标志.

图1. 王季陶著: “非平衡非耗散热力学”, Springer (2002)

在2004年,对此专著在欧洲和美国各自有书评发表.珀斯和鲍鲁同(M. Pons, D. Ballutaud) [63.  Pons M,Ballutaud D. Chemical Vapor Deposition, 2004, 10(3): 123.]他们在书评结尾说:“最后, 这是一本热力学和金刚石生长领域都值得一读的非常好的参考文献, 其中提出的新概念也很值得思考.” 费尔斯克(J.D. Felske)[Felske J D.Appl. Mechanics Review, 2004, 57(3): B16–B17.]在另一篇书评结尾处说:“总之, 此书不仅对从事金刚石薄膜制造的人而且对热力学家和生物化学家都是重要的.”

目前国内外的通常(经典)热力学教科书中, 只有简单体系第二定律等式部分的平衡热力学[∆G = 0]和简单体系第二定律不等式部分的非平衡热力学[∆G < 0]. 而且都需要说明只有平衡态是可以计算的. 对非平衡的不可逆过程也需要说明, 只能通过平衡初态和平衡终态设计出一条可逆过程来进行态函数变化的计算. 这就是经典热力学的局限性, 因此经典热力学又常常被称为平衡态热力学. 为了避免“平衡态热力学(thermodynamics of equilibrium states)”和“平衡热力学(equilibriumthermodynamics)”, 两个不同的概念相混淆. 我们并不推荐采用“平衡态热力学”和“非平衡态热力学”等术语.