热（Heat）、卡路里（Caloric）和熵（Entropy）

2020-01-12

王安良

这三个作为名词的术语（Glossary）在Fuchs^[1]的专著中是等价的，摘录如下：

Heat: Informal term for entropy. Equivalent to caloric. (Commonly the energy exchanged in heating is called heat; this usage is not followed in this text.)

Caloric: Used as an alternative term for heat. The caloric theory of heat can be rendered formal and correct in a modern sense if it is accepted that caloric is not conserved (that it can be produced). In this case it turns out to be equivalent to the entropy of a body.

Entropy: Formal for a quantity of heat or caloric. Entropy is the fluidlike quantity of thermal processes and thus obeys a law of balance. It can be stored (see heat function), it can flow (entropy current), and it can be created (see production).

在Fuchs看来，热力学中熵就是热，熵就是卡路里（去掉热质含义的）。我赞同之，并往前迈进了一小步。

热力学熵不是独立于物质存在的“物之质”，而是物质的属性之一，即“物之性”。熵量、质量和体量是物质（不考虑光）的三个不可或缺的基本量。

熵产是自发过程必然“附加”现象。其实，体增（或称体积膨胀）和质损（或称质量亏损）也是宇宙中自发过程所应附加的条件。

热力学第一定律描述的是宇宙自发过程所应遵循的基本规律，即守恒性和对称性。热力学第二定律描述的也是宇宙自发过程所应遵循的基本规律，即方向性和耗散性。

熵产就是耗散性的表现形式。但我认为并非唯一表现形式，还有体积膨胀、面积增大以及长度拉长等。我们已经知道，从数学的角度，两点之间可以有无限长的“距离”；一个质量（或体积）恒定的物体，可能存在无限大的表面积。而“宇宙膨胀”虽然还是个数学化的宇宙模型，并得到科学共同体多数人的认同。根本上来说，宇宙膨胀与熵增并不矛盾。

最核心的问题之一是：热与光之间是什么关系？或者换句话说，热辐射就是光辐射吗？相类似的问题还有：

熵能否在真空中独立传递（或传播），不借助光或其它电磁波？

万有引力与熵是怎样的关系？

另外，补充Fuchs的如下术语：

Heat function: the formal expression of the assumption that a body contains a certain amount of heat, where the heat stored is a function of the independent variables describing the properties of the body. This heat function turns out to be equivalent to the entropy of the body.

Entropy current: Measure of the transfer of entropy across the surface a system.

Entropy production: The process of the production of entropy as the result of an irreversible process.

参考文献

[1]        Hans U.Fuchs, the dynamics of heat, 热动力学，世界图书出版社，Springer，2010