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孤立系统与封闭系统

已有 665 次阅读 2019-8-19 17:01 |个人分类:热学|系统分类:科研笔记

孤立系统与封闭系统

19-08-19

王安良

按:昨日,独与全慧兄切磋,深受提点,写此博文,以谢之。知之为知之,不知为不知。本应引铭文、参文献、列公式,绘图、表,声、像并茂,但条件所限,能力有限。想什么就写什么,逻辑混乱,胡言乱语,博方家一笑。

作为热力学概念,孤立系统与封闭系统,谁先提出来的?无从(或较难)考证。

什么是孤立系统?

与外界没有质量与能量交换的系统既是。与之相对的概念是非孤立系统。需要思考的是:系统与外界不借助物质或能量就进行信息(甚至精神)交换?愚以为若不考虑万有引力效应,则无。通常的信息交换(注:不只是单向传递),均需消耗能量。孤立系统是个理想化的数理模型。

什么是封闭系统(也称闭口系统)?

有很多种类。与外界没有质量交换的系统,叫绝质系统;与外界没有质量和热量交换的系统,叫绝热绝质封闭系统;与外界没有质量与能量交换的封闭系统,即为孤立系统。与之相对应的概念的是开放系统(或开口系统)。思考:自然界有没有理想化的封闭系统?

在牛顿时代,热力学尚未形成,有封闭系统,但一定没有孤立系统。例如,研究地球和太阳这样的两体系统,隐含着天空背景这样一群“第三体”。而且第三体是无穷大的(至少对被研究的两体可认为无影响,但存在)。不管是苹果落地,还是羽毛上天;不管是太阳绕着地球转,还是地球绕着太阳转,绝对运动和相对静止是永恒的。

到克劳修斯时代,经典热力学逐渐形成,不仅有了封闭系统,也有了孤立系统模型。人们对“热”本质的认识趋向于“热动说”。宇宙渐渐成了比太阳系更大的概念。如果把宇宙当成唯一的,无所谓外界和边界,它就是一个最容易被想象的孤立系统,用克劳修斯们“机械”的认知,“孤立系统熵增原理”就成为热力学第二定律自然而然的推论。

再到爱因斯坦时代,经典热力学业已成熟,相对论和量子力学从无到有。人们对宇宙的认识越来越深、广、多,还认识了原子及其内部更细微的结构。孤立系统这个概念已经完全数学模型化了。宇宙究竟有多大,有限的还是无限的?至今仍是个大大的科学问题。但不能把宇宙当作热力学的孤立系统是学术界的共识。封闭系统应用越来越丰富,研究对象也越来越复杂。克劳修斯定义的熵的概念逐渐由热力学被扩展到包括数学、信息在内的其它学科。即使克氏再生,也认定现在的熵绝非他所定义的熵。熵与热力学第二定律已经成为相互独立的两个概念。“孤立系统熵增原理”只有教学“价值”,毫无研究“意义”。

封闭系统的熵是怎么变化的?

先得定义具体的封闭系统,确定系统的内部和边界,规定外界,两体模型已经过于简单了,至少是三体及以上。

当下,不仅经典热力学,而且相对论和量子力学也越来越成熟,人们好像无所不知,无所不能。据说,下一个时代就是AI统治世界乃至宇宙的时代。我暂且把当代称为杨振宁(全慧兄的偶像)时代。量子热力学,涨落理论,黑洞,弦理论,等等,越来越多的概念被人们提出、使用和发展。克氏时代总结的热力学第一定律已经被突破,被修正。换句话说,系统能量守恒往往隐含了质量守恒。对于有限封闭系统,其“质能”是守恒的。包括有生命存在的有限系统,应符合热力学第一定律好像不存在什么争议,但是否就推翻了热力学第二定律?不必说生物学教授,就是教研了一辈子热力学的专家、学者也可能心存狐疑。

这可以理解。

我们必须严肃认真地描述当下学术界的一个共识:至今为止,依然没有发现违背热力学第二定律的任何有效反例,是绝对真理。就是爱因斯坦、克劳修斯、牛顿级的人物再世,不管是无神论还是有神论者,热力学第二定律都竖立在那里,没被超越。无论采用量子力学还是相对论,不管是涨落理论还是什么大统一理论,都不行。

根本问题在哪里?

正确地认识和理解熵。各种各样、五花八门的熵虽源自热力学(确切地说热力学第二定律),现有热熵、概率熵、信息熵等等,它们之间有联系,更有区别。

近来,我们发现微分熵与微量熵的数理含义完全不同。

我们还发现,对于包含生命的封闭系统,哪怕里面的生命只是细菌或病毒,其熵或可增加、或可不变、或可减小,不仅符合热力学第二定律,甚至可以说完全靠热力学第二定律来推动和演变。

开启解决热力学相关复杂问题的钥匙是什么?

学习和研究热力学第二定律和熵。

尽信书不如无书。树立“四个”自信,抛弃西方和偶像崇拜,相信科学,不迷信科学。




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