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能量耗散法则是一个通俗的科学发展普遍法则
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注: 在圈子中日前我写了一个帖子: “熵产生(又称耗散函数)是热二律的普适判据”. 接着张学文老师zhangxw 的帖子中提出了他的看法: “我看法是如果一个真理普遍应用于多个场合，用最通俗的语言表达它，就有利于大众理解它。”我很赞成, 同时认为目前对熵产生(又称耗散函数)是热二律的普适判据的提法是比较通俗合理的. 当然也欢迎张老师和广大网友提出更好的具体意见和建议方案. 毕竟现代热力学的第二定律是一项当今人类宏观经验的总结. 需要所有相关人士，包括自然科学家、人文社会科学家和哲学家，的共同关心和应用.
能量耗散法则是一个通俗的普遍法则
众所周知, 能量守恒法则是一个通俗的普遍法则. 同样, 能量耗散法则也是一个通俗的普遍法则. 首先这两个普遍法则是不同的, 不能加以混淆. 同时又都要通俗、简洁地加以表达.
汽车在平地上行驶. 根据平移不做功的法则, 汽车不论开到多远, 是不是可以不消耗任何能量吗? 答案一定是否定的. 因为汽车消耗汽油的原因就是能量消耗在各种地面摩擦、轴承摩擦、汽缸摩擦、空气阻力、等能量的散失上面. 那么汽车燃烧汽油时生成的推动汽车对外作功能量是不是被消灭了? 答案一定也是否定的. 大家也一定知道: 能量守恒法则: 能量可以转换成不同的能量形式, 但是能量是不生不灭的. 那么如何解释以上的现象呢? 大家就会说: 汽车燃烧汽油时生成的对外作功能量最后都转化为环境中的热量. 那么是不是还可以利用这些环境温度的热量来对外作功呢? 不能! 因此, 这些环境温度的热量, 就被称为“废热”. 这种原来可以对外作功的能量变成不能对外作功的废热, 就被称为能量的“耗散”, 即(能对外作功的)有效能量的消耗和散失. 当然开尔文也曾经把这样的变化称为能量的“退化”. 但是目前来看, 可能是能量的“耗散”概念和名词更容易被理解和接受.
能量守恒法则和能量耗散法则在热力学领域中就分别被称为是热力学第一定律和热力学第二定律. 而熵产生就是耗散函数, 是体系耗散程度的度量, 热力学第二定律也因此可以定量地表达为diS ³ 0 (注意量纲不是能量, 而温度和熵产生的乘积TdiS才是能量的量纲).
同时, 能量守恒法则和能量耗散法则在广阔的力学领域也是普遍适用的.
例如, 在国际上有一本比较知名的“物理化学”教材是P. Atkin & J. de Paula: “Atkin’s Physical Chemistry”, 8th ed, Oxford: Oxford University Press (2006). 其中 “第3章 第二定律(The Second Law)”中p.77 讨论 “自发过程的方向(The direction of spontaneous change)”时说到: “自发的变化总是伴随着能量的耗散(… spontaneous changes are always accompanied by a dispersal of energy).”
接着就是非常明确的小节题目和表述:
“§3.1 能量的耗散(The dispersal of energy)
我们似乎已经找到自发变化的方向标. 它就是导致孤立体系总能量耗散的变化方向. 这一法则可以说明弹跳球的变化趋势, 因为它的能量会以地板原子的热运动形式被分散掉. (We appear to have found the signpost of spontaneous change: we look for the direction of change lead to dispersal of the total energy of the isolated system. This principle accounts for the direction of change of the bouncing ball, because its energy is spread out as thermal motion of the atoms of the floor. )”
注: 在英文中对 “耗散”一词可以用 “dissipation”, “dispersion”或 “disperal”等.
这本Atkin的书中还有一个附图, 如图1. (但是图1并不是 “Atkin’s Physical Chemistry”一书中的原图而是我绘制的类似示意图. )
我再列举另外一个力学的例子. 图2 表述一个球体在曲面内运动时的能量耗散. 先由红球从势能最大的位置开始, 经历势能变成动能最大的底部白球位置, 再到粉红球的位置, 最后由于摩擦等因素的能量耗散变成热能而停留在曲面的最低处. 总之, 能量耗散的法则是普适的, 表述也是很通俗的, 应用非常广泛.
图1 弹跳球的“能量的耗散” 图2 球在曲面内的运动
所有这些都是平时常见的现象. 再举一个例子, 如: 树上的苹果会掉到地上, 既可以从力的角度来解释, 也可以从变化前后能量的耗散来进行解释. 因此, 这一“能量耗散法则”的通俗性和普遍性是没有问题的. 问题的遗憾一面在于: 是至今绝大多数热力学教科书并没有把熵产生和耗散函数等重要的基础概念及数学表达式, diS ³ 0, 列入实际的教学中. 更不知晓1865年克劳修斯的热力学第二定律对复杂体系(同时包含自发过程和非自发过程体系)的 “补偿”, 即热力学耦合的表述[即“第二基础原理，在我所给出的形式中，断定所有在自然界中的转变可以按一定的方向， 就是我已经假定是正的方向， 不需要补偿地由它们自己进行；但是对相反的方向，就是负的方向，它们就只可能在同时发生的正转变的补偿下进行。]. 把1865年克劳修斯的表述结合熵产生原理的数学表达式, 就得到[diS1 > 0, diS2 > 0 & diS ³ 0].
可惜目前绝大多数热力学教科书并没有引用把1865年克劳修斯对复杂体系的的热力学第二定律表述. 其中也包括了Atkin的这本书. 这本书虽然引入了能量的耗散概念, 却没有跳出经典热力学的框子. 因此热力学学科和教学长期停留在经典热力学阶段只能处理简单体系的阶段达到一百多年之久. 相应地也延误了一届又一届的学子和一代又一代的学人, 对此必须迅速改变这样的现状!
去年8月我在日本参加21届国际化学热力学会议(21st IUPAC International Conference on Chemical Thermodynamics, ICCT2010)时, 也见到Atkin 本人, 他也亲自听取了我的报告, 并表示要看了我的 “Modern Thermodynamics – based on the extended Carnot theorem”(英文版) 书以后再作进一步的思考.
最后要说明一点! 能量耗散法则是不能违背的客观科学发展规律的法则, 但是它不是一个悲观的法则. 特别是弄清1865年克劳修斯的“补偿”即 “热力学耦合”表述，并得到复杂体系的熵产生原理的数学表达式,[diS1 > 0, diS2 > 0 & diS ³ 0]以后, 就成为一个说明达尔文进化论和科学发展、科技发展、和社会进步的积极法则. 客观体系是我们生活在幸福的地球村! 照射到地球上的太阳能在耗散, 即diS1 > 0; 而生物的进化、科学技术发展、和人类社会进步都是diS2 < 0, 负的熵产生过程(不是 “负熵产生体系”更不是所谓的 “负熵”); 整个地球体系的熵产生仍然是大于等于零, diS ³ 0.
认清这一点, 我们就会反对不能推动进化的战争、动乱等行为，更充分地享用大自然给予地球村的恩惠，有多好啊！因此我说现代热力学就是自然科学发展观, 它不仅可以指导我们对客观世界的认识, 也对人文社会科学和哲学都会有深远的影响!
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