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从王竹溪先生的热力学体系放眼向外 精选

已有 8473 次阅读 2019-6-16 08:22 |个人分类:大学教育|系统分类:教学心得| 热力学, 王竹溪, 物理

教学如果仅仅就一本教科书照本宣科的话,就是非常简单的体力活。而这个体力活其实不需要教师。学生自己就可以完成,而且又快又好!

物理学中的任何一个基本概念,如果参考国际上不同的名家的理解,很可能100个人有150种理解。如果自己理不出个头绪来,还不如照本宣科来得省事!如果自己真想理出一个头绪来,也许花去了10SCI论文的时间,要么一无所获要么所获甚微。因此,只有科研压力不太重、或者生存压力不大的教师,才能胜任教学。

一,“王竹溪热力学教学学派”

现在国内的《热力学》教材,几乎都发轫于王竹溪先生1955年的《热力学》(高等教育出版社)。最后一章“热力学方法论”专门论述了“三个基本热力学函数”的重要性。

王竹溪 1955.jpg

因此,“三个基本热力学函数”在我国的教学传统中,具有非常优越的位置。我把王先生的这个做法称之为“王竹溪热力学教学学派”。我注意到,在当今欧美大学任何《热力学》教材中,都没有“三个基本热力学函数”的说法。

一,“三个基本热力学函数”最原始的出处可能是前苏联的《热力学》教材

很难查找原始的出处。但是前苏联物理学家,萨莫洛维奇的《热力学与统计物理学》(高等教育出版社, 1958),有明确的说法(p.62)

萨莫洛维奇.jpg

很可能,萨莫洛维奇的这一说法,是当时中国《热力学》教学界的共识。那么,萨莫洛维奇的思想在后来是否有所发展或者有人不太同意呢?有!前苏联物理学家巴扎洛夫的《热力学》(1961年第一版,第三版于1988年翻译成中文由高等教育出版者出版),他的看法如下(p.22-23)

bazarov 计温物态方程1.jpg

 bazarov 计温物态方程2.jpg

在巴扎洛夫看来,如果已知了物态方程和内能,熵可以推导出来。如果研读王竹溪先生的《热力学》,会发现,他也有类似的说法,也就是熵不是一个独立的热力学函数。

很可能,从平衡态热力学的角度看,熵并不是一个那么重要的物理量,而是提供一个研究热现象的一个表象。当然,平衡态热力学,往往同时需要多个表象。而在非平衡态中,熵才是一个核心的概念。

三,Callen- Reichl系列《热力学》教学理念

美国《热力学》的教学中的一个传统,基本继承了Callen的对热力学的理解。他们的思想脉络如下:物态方程属于需要实验才能决定的量,不是典型的热力学理论的部分。应该把依赖实验决定的关系归为一类,这类关系中主要包含响应函数和物态方程,然后才是热力学的理论部分,这里需要引入内能和熵,还有其它的一些热力学势。

注意到,相变平衡条件有三类:热平衡,力学平衡和化学平衡。在Reichl的《统计物理现代教材》(第二版,John Wiley & Sons1998),把响应函数分为三类:热响应函数即热容量,力学响应函数即膨胀率、磁化率等等,化学响应函数即化学势对粒子数的偏导数。

reichl responses.jpg

然后,物态方程也分为三种

reichl mechanical EOS.jpg

这种做法更加符合我对整个物理学理论结构的理解。我认为,和实验结果的比较,不是物理理论最核心的部分,参照下图:

liu.jpg

四,如何看待王竹溪先生热力学体系

是一个教学的方便法,或者说工作规则,而不是一个严密的逻辑系统,60多年的教学实践表明,这个方便法也是有效法。

热力学有没有象狭义相对论那样严密的逻辑系统,答案是:没有!而且没有必要,很可能!

热力学很像一个完善的但是复杂的操作手册。

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微信评论精选

1,何祚庥先生评论

你评论说王竹溪先生热力学是来自萨莫洛维奇,这完全不是事实。王先生书成熟于1948年。那时根本沒有任何苏联书藉可看到!王先生书明显受到喀喇氏(Caratheodory)体系影响,即数理学派的影响。何祚庥 

2,钱纮先生评论(钱纮:华盛顿大学数学系教授,北京大学钱敏先生哲嗣)

本人觉得所有存在的教课书都有些过时。热力学不能公理化的主要原因是我们对什么是熵,什么是热力学势的理解尚为原始。其统计根源和作为极限定理仍然不完整。物理学对概率论这问数学需要更多的理解和运用。这里毛遂自荐两篇论文:https://arxiv.org/abs/1601.03159 https://arxiv.org/abs/1902.09536   请各位指教。



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