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【科普】热力学第二定律: 7. 上百年来的客观事实铁证
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作者: 王季陶
上百年来热力学教科书和教学中热力学第二定律的表述通常说:
1. 1850年克劳修斯(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.
2. 1851年开尔文(Kelvin)表述: 不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不产生其他影响.
众所周知,这些都不是他们的原话.而都是单一自发过程(高温到低温热传导和摩擦生热自动发生)简单系统日常经验的逆反表述, 其中的 "其他影响"就是指 "外界其他影响", 还常用电冰箱实现热量从低温到高温必须由外界提供电能来举例说明. 它们仅仅相当于克劳修斯1865热力学第二定律的完整表述:
第二定律, 在我所给出的形式中, 断定在自然界中的所有转变可以按一定的方向, 就是我已经假定是正的方向, 而不需要补偿(compensation)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.
中的上半句: 自然界中所有自发过程都是向正的方向, 不需要补偿地单独进行. 因此上百年来, 得到的大量与实验事实相符的明确推论都没有跨越出下图中的绿色框架. 这是一个铁证般的客观事实.
图1. 20世纪和目前通常教科书中的 “热力学”
克劳修斯1865热力学第二定律的完整表述在2007年被我重新发现以来, 有幸使我得到一系列和实验事实相符的最新推论覆盖了图2的红色区域, 例如非平衡相图, 螺旋反应, 单向循环反应, 化学振荡等都和客观事实相符来保证其正确性. 这也是一个铁证般的客观事实.
图2. 热力学学科领域的完整基本分类
由此可以得到明确的结论:
热力学一级学科的表述: 克劳修斯1865热力学第二定律的完整表述是人类宏观经验的完整总结.
热力学二级学科A的表述:克劳修斯1865热力学第二定律的完整表述的上半句和上百年来热力学教科书和教学中热力学第二定律的表述是人类对只有自发过程简单系统的经验总结.
热力学二级学科B的表述:克劳修斯1865热力学第二定律的完整表述的下半句是人类对同时包含自发过程和非自发过程复杂系统的经验总结.
热力学一级学科的表述称为热力学第二定律的完整表述. 热力学二级学科A的表述称为经典热力学第二定律的表述. 热力学二级学科B的表述称为现代热力学第二定律的表述. 前者和后二者三者之间, 不仅文字上不同, 覆盖范围不同, 内涵不同, 就连热力学判据的数学表达式(见图, 文字中就不重复了)也不同. 一级学科涵盖了二级学科, 但是决不能逆反过来的. 任何试图混淆它们之间的层次关系或是试图证明它们之间恒等是根本不可能的. 图2中的热力学两个三级学科之间的差别不是本质性的, 甚至可以不分.
正如爱因斯坦所说: 我深信经典热力学在其基本概念适用的范围内是绝不会被推翻的. 这就从理论上说明了过去把经典热力学的推论不恰当地滥用到, 低压人造金刚石, 化学振荡, 和很多生命科学复杂系统问题中, 上百年也得不到热力学学科的完整分类等, 一再犯错误和阻扰科学发展的根本原因.
同时也说明了上百年来阉割和隐藏热力学一级学科的表述--克劳修斯1865热力学第二定律的完整表述 所带来的严重后果: 上百年来物理学界没有很好把克劳修斯1865热力学第二定律的完整表述学好和继承下来, 至今还有人试图混淆三种表述的适用范围, 只能贻误一代一代的学子. 也使他们自己至今在红色区域提不出任何一个热力学第二定律的推论和实验事实相符来保证其正确性的根本原因. 目前的关键在于能不能真正面对这些客观事实, 推动热力学学科分类从图1到图2的飞跃发展.
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