如何进行有效的理科学术讨论

 

科学发展—理科讨论

  

最近李铭老师和我的学术讨论可以说严格按照王云平老师的五点如何进行正常有效的科学讨论的意见进行的，从来没有人身攻击等情况。第一阶段进行得很好。双方都有收获。但是最近的学术讨论卡壳了，讨论了约20个回合（见下方），还停滞不前、一时找不出原因。

 

问题的焦点如下（如果不对请李铭老师评论，我再修改）：

(a) 我主张：“耗散”与 “非耗散”是一对概念，“不可逆”和“可逆”是另一对概念。两者不能等同或混淆。

(b) 李铭老师主张：“耗散”与 “非耗散”是一对概念，“不可逆”和“可逆”是另一对概念。两者是等价的。

相互关系见解不同示意图如下：

 

卡壳的感觉：

 李铭老师2010-2-27说：行。反正您也没讲清楚非耗散和可逆的区别，我也无法说服您。这个讨论只能到此为止了。

 我2010-2-28说：“不是我回避这两个问题，而是你编造了这两个不合理的问题。” “这样的讨论就走调了。” “我建议我们都思考一下，从而可以抓住问题的关键。”

实际上讨论还在进行并没有停止。

 

我对现状的原因的分析：

1.      有可能是一个人钻了牛角尖，也可能是两个人都钻了牛角尖，还有可能两个人钻了不同的牛角尖。

2.      有效的科学讨论中还需要加上两条技术性条款（和原来的5条性质不同）：（1）理科老师学一点形式逻辑的“三段论”，（2）学习“法制节目”中的“谁主张谁举证”的原则。

 

总之，对目前的卡壳情况还希望各位大侠伸出援手，目的是把问题讨论清楚，指点一下也好。以下是我们将近20回合的讨论情况。

 

[23] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-28 16:20:28]     删除  回复

1。 正是“耗散”导致“不可逆”。 如果没有了“耗散”，就“可逆”。我这逻辑怎么错了呢？
2. 我承认你的a,b。请告诉我你是怎么推论出结论的：“非耗散的循环过程可逆”。请注意，对我来讲，只要非耗散就可逆，所以，非耗散的循环过程肯定可逆。但是，你否认非耗散就可逆，你凭什么认为非耗散的循环过程可逆呢？请你直接回答。

博主回复：我建议我们都思考一下，从而可以抓住问题的关键。

 [22] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-28 15:25:15]     删除  回复

博主回复：1. 能量是耗散的。一定是单向的，不可逆的。2. 可逆卡诺循环热机的效率最高。
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1. 你这理由表明，正是“耗散”导致“不可逆”。 如果没有了“耗散”，就“可逆”。 所以，“非耗散”的必然结果就是“可逆”。
2. 我不懂你这论证的逻辑。我承认你的a,b，但是，我不明白你的推论。
博主回复：1. [如果没有了“耗散”，就“可逆”。 ]这句话完全是你的话。而我一再强调：如果没有 “耗散”就是 “非耗散”。这样的讨论就走调了。
2. 我也不懂你这论证的逻辑。如果你承认p-V图上能够回到原点的非耗散循环（包括卡诺循环）都是可逆的。那么你的问题不是编造出来的吗？

[21] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-28 10:55:48]     删除  回复

博主回复： “非耗散”和 “可逆”的区别就是 “单向”和 “双向”的区别。
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王老师回避的两个问题是，1. 不能“双向”的原因是什么；2. 为什么非耗散的循环过程可逆。 只要你回答不了这两个问题，你的“非耗散”论就没有意义。
博主回复：不是我回避这两个问题，而是你编造了这两个不合理的问题。
1. 能量是耗散的。一定是单向的，不可逆的。热力学第二定律就是任何负耗散体系不存在，所谓的“负耗散体系”就是第二类永动机。你承认不承认热二律的本质就是单向的不可逆的或称为“时间箭头”？如果你承认，为什么还会问“不能 ‘双向’的原因”？这是需要你说清楚以后才能回答的。
2. （a）可逆卡诺循环热机的效率最高。你承认不承认？（b）准静态过程的定义中很明确强调必须“非耗散”才可能逼近可逆过程。 你承认不承认？如果你承认（a）和（b），为什么还会问“非耗散的循环过程可逆”？这是需要你说清楚以后才能回答的。
必须首先假定你和我都已经接受了热二律和经典热力学。如果这个前提不存在或存在混淆，那答案将完全不同。

[20] 标题：

发表评论人：tdcao [2010-2-28 7:23:08]     删除  回复

个人认为，这里对“耗散”、“废热”、“不能再被利用”使用可能不洽当，所以争论的目的性不够强。
博主回复：曹博士，欢迎您。热力学讨论中首先确定是一个体系。例如火力电站“耗散”出来的“废热”、“不能再被利用”都是针对火力发电这一个体系来说的。如果把体系扩大了，原来的“不能再被利用”、火力电站“废热”可能就是新体系的高温“热源”当然可以“再被利用”。
经典热力学过分强调“可逆”和“不可逆”，现代热力学中需要强调 “非耗散”和“耗散”。其中的差别就是 “双向”的变化要求适用面很窄（例如气体的压缩和膨胀），而“单向”的变化要求适用于任何实际的宏观复杂体系的变化。

[19] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-27 18:22:09]     删除  回复

行。反正您也没讲清楚非耗散和可逆的区别，我也无法说服您。这个讨论只能到此为止了。
博主回复： “非耗散”和 “可逆”的区别就是 “单向”和 “双向”的区别。很多问题需要深入思考，以后还可以讨论。现代热力学是新领域会有很多新问题，我相信还有很多发展空间，希望听到你的创新或创见。

[18] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-27 15:47:45]     删除  回复

博主回复：这个问题本身就首先应该由你来回答，你过去的回答也是正确的。对能量转换效率最高的 “非耗散”能量转换要求就是充分必要条件，你能同意吗？可逆不是必要条件。如你认为两者相等，就需要你来证明。
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在我看来，“可逆”就是这样定义的：非耗散就可逆。因为我们并不知道在“非耗散”之外还有什么额外的条件，我们把引起不可逆的因素都归结为耗散，所以，只要消除了所有的耗散因素，过程就可逆。而您加的“循环过程”这个条件也没有实质的物理意义，所以，我目前还只能认为“非耗散”就是可逆。
您的“非耗散能量转换要求就是充分必要条件”我同意。同时，当然我也认为可逆也是充分必要条件。
博主回复：差别非常明显。
我的观点：对能量转换效率最高的 “非耗散”能量转换要求就是充分必要条件。因为“非耗散”只有单向要求，“可逆”是双向要求；两者是不等价的。如果你同意了[对能量转换效率最高的 “非耗散”能量转换要求就是充分必要条件。]“可逆”能量转换要求就不可能是能量转换效率最高的必要条件。

[17] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-27 15:09:13]     删除  回复

哈哈，王老师终于被我问哑了。这个主张是您提出来的，您竟然把责任推到我身上了。 我本来就是不懂“可逆”才请教您的，我哪有能力回答这个问题呢？
博主回复：我的回答很全面。我不需要你的回答。因为我认为那是是多余的，至少对你目前的问题是无益的。而“非耗散”的能量转换是能量转换效率最高的充分必要条件，这才是我的主张或观点的根本，你至今没有否定，是吗？如果你对此有疑问，我们还可以讨论。

[16] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-27 11:28:06]     删除  回复

博主回复：你的理解还是不对。我说：“只有循环过程的体系”就恰恰是意味着不需要“能倒回去”就回到初态的体系。
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好。那么，您能否解释一下为什么非耗散的“只有循环过程的体系”就是可逆呢？
博主回复：这个问题本身就首先应该由你来回答，你过去的回答也是正确的。对能量转换效率最高的 “非耗散”能量转换要求就是充分必要条件，你能同意吗？可逆不是必要条件。如你认为两者相等，就需要你来证明。我认为这样的证明本身就是多余的。
一定要注意讨论任何非平衡不可逆过程复杂体系的态函数定义时本身就已经包含了局域平衡近似，很可能初态是非平衡态，终态也是非平衡态，我个人认为对这类复杂体系的“可逆”能量转换要求是不可能实现的，也不可能设想一个准静态过程来实现的。既然发现这样的“可逆”要求是不必要的、多余的，就为处理复杂体系的现代热力学扫清了障碍或铺下了基石。

[14] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-27 10:11:18]     删除  回复

13楼，你的答复几乎没有物理意义。“只有循环过程的体系”等于是只有“能倒回去”的体系才是“可逆”的。这跟没说是一样的。“可逆”不就是能倒回去么？ 我问的是，一个过程怎么才能倒回去！如果您不能回答这个问题，您对可逆和非耗散的区分就没有意义。
您这个非耗散的“只有循环过程的体系”才可逆也有问题。按照您对可逆的理解，必须是只有非耗散的“原路返回的循环过程”才可逆。
博主回复：你的理解还是不对。我说：“只有循环过程的体系”就恰恰是意味着不需要“能倒回去”就回到初态的体系。因此非耗散的循环过程才是可逆的和方向无关。反方向同样也应该是回到初态。
反过来问：“非耗散”和“可逆”明明是两个不同的概念。为什么一定要把“非耗散”等同于“可逆”？可逆和非耗散的区分意义非常大。任何实际过程的理想极限都是非耗散；而“可逆”的理想极限只适用于简单循环过程，因此就非常有限。这就是经典热力学的局限性。
实际上你考虑太简单，仅仅考虑能量一个因素，复杂体系经过“非耗散”变化其状态可以面目全非。无法也不需要证明它们的可逆性。这样的现代热力学就可以适用于任何宏观体系。以太阳能电池为例，我们只需要提高转换效率（极限为100%），何苦去追求可逆太阳能电池，太阳决不可能收回太阳光的。为什么举这个例子，因为其中只有物理过程。如果举生命体系，就根本没有讨论可逆的可能性，否则不是可以返老回童吗！

[13] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-26 12:25:23]     删除  回复

博主回复：不对。非耗散不一定是可逆的。
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请你告诉我，怎么样才是可逆的？除了非耗散还需要什么条件？
博主回复：很可能你只考虑气体压缩膨胀等简单体系。复杂体系中可逆是非常困难的。例如生化反应几乎没有任何反应是可逆的。即使日常的化学反应正向和反向的反应机理也不相同。太阳能电池的例子也不过分，只要能量转换是百分之百就一定是转换效率最高的，根本不需要证明它是可逆太阳能电池。生命现象更是如此，即使一动也不动，你也不可能恢复成一秒钟前的你。
你问：除了非耗散还需要什么条件才是可逆的？答案是“简单体系”或更准确地说“只有循环过程的体系”。例如非耗散的卡诺循环一定是可逆的。

[12] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-26 11:22:44]     删除  回复

王老师，虽然非耗散没有直接强调双向，但是，只要一个过程是非耗散，就意味着它可以倒过来，就是可逆，就是双向的。一个过程之所以不可逆，就是因为有耗散。
你如果要强调非耗散和可逆的区别，必须指出他们他们在物理上的不同。
博主回复：恰恰相反。你无法证明单向的非耗散过程一定是双向“可逆”的。物理上的不同就是单向和双向的区别。这个证明工作应该你来完成，而且不可能完成。只能说非耗散的循环过程一定是可逆的，因为非耗散的循环过程一定回到原点（初态）。这就是扩展卡诺定理包含了卡诺定理，但是卡诺定理无法包含扩展卡诺定理。

[11] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-26 10:31:18]     删除  回复

6楼，非耗散是“因”，可逆是“果”。 只要一个过程非耗散，这个过程必然可逆。反过来也成立。你把可逆解释为双向，是对的。如果自然界一切过程可逆，自然界就没有时间箭头，从今天到昨天也是可能的，熵也可增可减。如果自然过程都是非耗散的，也是如此。所以，非耗散也是双向的。
你的例子还可以进一步简化。氢气加氧气通过燃料电池发电，目前已达到80%的效率。如果你能做到效率100%，那么，我也可以用同样多的电把水分解为氢气和氧气。没有什么原理上的限制。
博主回复：不对。非耗散不一定是可逆的。
非耗散只要求单向，可逆要求是双向。自然界的过程大量只能单向变化，因此可逆要求就引入了巨大的局限性。可逆的要求不是必要的条件。而非耗散是转换效率最高的充分必要条件。你想像中考虑的往往是简单体系，才会把非耗散和可逆当成一回事。这就是经典热力学的残留影响。

[9] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-25 16:46:25]     删除  回复

5楼设想的这个假想实验太复杂，比如“命令太阳必须收回太阳光”这话如此人性化怎么可逆? 你最好设想一个简单一点的过程。
博主回复："非耗散"的要求是单向的。“可逆”的要求是双向的。两者有实质区别。热二律的本质是“时间箭头”单向的。
再例如, 用甲烷(CH4)和氧气(O2)作用的化学能在燃料电池中转换成电能, 那么是不是应该追求设计一种可逆的燃料电池, 以便达到最高的能量转换效率呢? 显然, 要从释放出来的二氧化碳(CO2 和水(H2O)通过所得到的电能重新生产出等量的甲烷和氧气, 实际上根本不可能实现. 在生成甲烷时不可避免地会生成各种甲烷的同系列有机物以及乙烯和乙炔等. 同时也可以想象, 如果化学能可以在没有能量耗散条件下完全转换为电能, 那么它的效率一定是最高的. 卡诺原理中的 “可逆”并不是一个真正普遍的必要要求. 非耗散的能量转换才是宏观能量转换效率最高的普遍充分必要条件, 这就是扩展卡诺原理.

[8] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-25 12:13:54]     删除  回复

6楼，我这是有点吹毛求疵，我懂您的意思，只是感到不太严谨。即使是您说的不能被火电站利用也有问题。海水那么小的温差尚可发电，废热当然也还可以用于发电，虽然效率很小。所以，我还是觉得改成废热被利用的能力下降了比较准确。赵凯华的热学教材有类似的陈述，他称之为“能量退降”，一些外文教材称为degradation，都没有不能被利用的意思，而只有退化的意思。
博主回复：热力学讨论的是体系。体系内的最低温热量不能被利用温差对外作功，很严谨。但是如果改变了体系，例如添加了其他更低温的热储，当然又当别论。“能量退降”就是体系整体有耗散，不是单指“体系内的最低温热量不能被利用温差对外作功”。 克劳修斯的第一种表述：“不可能把热从低温传到高温物体，而不引起其它变化。”开尔文的第一种表述：“不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不引起其它变化。”都说明这一点。

[7] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-25 12:02:16]     删除  回复

5楼，您讲的这个“非耗散”和“可逆”的区别还是不清楚。我们通常讲，耗散是不可逆的原因，如内摩擦，粘滞，温差，压强差，密度差等等都是耗散因素，正是它们导致过程不可逆。去掉这些耗散因素，过程就可逆。 所以，“非耗散”就“可逆”。这是我的理解。
您说两者对循环过程才统一，我不这么看，好像也没见到什么教材这么讲。
博主回复：请你把5楼的理想太阳能电池“可逆”一下试试。
"好像也没见到什么教材这么讲"这句话是真的。在我的现代热力学系列专著中很多是首创的。

[6] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-24 10:44:35]     删除  回复

第5点的表达有点漏洞。“一旦转变成废热，就不能再被利用，”，废热当然还可被利用，火电站废热可用来洗澡，养热水鱼等等。这话应该改一下，比如废热再用来发电的能力大大降低。
博主回复：以上的表述没错。火电站的废热不能被火电站再利用了。然而火电站废热对其他参考系来说还不是“废热”，所以还能被利用。

[5] 标题：

发表评论人：wliming [2010-2-24 10:41:12]     删除  回复

关于第4点，“非耗散”和“可逆”的物理意义应该是完全等价的。所以，你讲的这一点没有什么意义。
博主回复：不对。两者的差别可大了。只有对循环过程两者才能统一。这就是经典热力学只能适用于简单体系的原因。
我的第一篇博文http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=255639 中有这样一段话：[我们每一个人都可以想象: 如果有一块理想的太阳能电池板可以把太阳光没有耗散100%地转换成电能, 那就一定是效率最高的. 有没有可能 “可逆”地把电能重新变成太阳光, 再发射到太阳上, 还得命令太阳必须收回太阳光, 这是完全不可能做到的. “可逆”要求是多余的, 不必要的. “非耗散”才是能量转换效率最高的充分必要条件. 这就是扩展卡诺定理, 问题也就解决了. ]

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