21世纪“热力学与统计物理”课程
应及时反映热力学领域中的基础性进展

(40-分钟报告)

2003年这一报告是我在物理专业“热力学与统计物理”教学口的第一个报告, 国内的一些知名相关教师也纷纷参加, 影响面应该比较大. 例如, 我校的统计物理苏如铿老师和热力学孙鑫老师以及北大的林宗涵都参加的. 同时也回答了林老师的插话提问, 我说: “非平衡相图要比平衡相图多一个实验参数, 氢原子的浓度直接影响到这个实验参数.” 此后又一再应邀在这一热统会议上作了大会报告. 但是重建十多年前的录像有时非常困难, 要制作相应的录像文字表述更是很费时日. 例如, 下半部分第一句话就是“什么道理呢？热力学的分类全都变掉了. 我一个假定都没有进去. …” 详细内容只能请各位自己观看录像了. 因为录像文件较大因此分成两个部分: RT03a 和RT03b. 这一2003年报告集中在热力学第二定律的创新发展核心: 突出了非自发反应和非自发反应之间的“反应耦合”. 这是很成功的. 同时也存在时间的局限性: 把Onsager倒易关系和Prigogine耗散结构也都纳入了热力学的分类范围以内. 但是如果能够认识到“反应耦合”, 这一创新的核心就是成功的.相反的情况, 就可能走向反科学的道路. 这方面也是有众人所看到的反面实例的沉痛教训!

同时为了方便各位还是把相应RT03a的PPT中的文字和图像列举在下方. 最后还是建议直接观看视频.请点击以下的视频链接:

http://v.youku.com/v_show/id_XMTgxMzM2NjkwNA==.html

热统报告RT03b1: III. 热力学的完整基本分类系统:

图b1

热统报告RT03b2: 经典热力学和现代热力学的定义和适用范围

1.    经典热力学就是适用于非耦合体系的热力学.

2.    现代热力学就是适用于耦合体系的热力学.

3.    热力学就是适用于任何宏观体系的热力学.

注:  耦合体系: 即非自发过程和自发过程同时存在的体系.

      非耦合体系: 即只有自发过程的体系或平衡体系.

热统报告RT03b3: 常被引用的Albert Einstein(1879~1955)名言

“一个理论, 如果它的前提越简单, 而且能说明各种类型的问题越多, 应用的范围越广, 那么它给人们的印象就越深刻. 因此, 经典热力学给我留下了深刻的印象. 经典热力学是具有普遍内容的唯一物理理论. 我深信在其基本概念适用的范围内是绝不会被推翻的.”

“A theory is more impressive the greater the simplicityof its premises is, the more different kinds of things it relates, and the moreextended its area of applicability. Therefore the deep impression whichclassical thermodynamics made upon me. It is the only physical theory ofuniversal content concerning which I am convinced that, within the frame-workof the applicability of its basic concepts,it will never be overthrown.”

热统报告RT03b4: IV. 请不要再继续传布19世纪热力学的经典“bug”

平衡体系的定义: 热, 机械, 物相和化学方面都达到平衡的体系; 或者简化: 内部不存在任何宏观不可逆过程的体系.

平衡体系一定对应于第二定律的等式, 逆定律不成立. 可是经典热力学用第二定律的等式和不等式作如下一级基本分类.

图b2

1. 遗漏了热力学耦合[dG₁)_T,p>0,(dG₂)_T,p<0&(dG)_T,p <= 0]的情况.

2. 隐含了一个前提性假定: 经典热力学只适用于非耦合体系.

3. 第二定律等式是平衡体系的必要条件, 但不充分.

热统报告RT03b5: 第二定律等式是平衡体系的必要条件, 但不充分

1. 第二定律等式不能保证体系内部没有宏观过程.

2. 第二定律中只有等式不一定保证体系的热力学函数是极值.

图b3

经典热力学“在其基本概念适用范围”以外, 将出现一系列“非平衡的平衡热力学”类型的悖论!

热统报告RT03b6: 请不要再讲授过渡型的传统热力学分类系统:

图b4

热统报告RT03b7: V. 培养21世纪的“热力学和统计物理”青年骨干教师

我的工作目前限于热力学方面, 只提出以下希望:

1) 前瞻性: 必须了解热力学领域的全貌和前沿发展动态.

2) 严密性: 热力学是一门极其严谨的学科. 由于历史原因, 以往可能会出现些严谨性问题. 发展中的问题, 改进并不困难.

3) 自洽性: 必须能回答什么是“经典热力学”, 什么是“现代热力学”以及它们的适用范围等最基本的问题.

热统报告RT03b8: 热力学耦合在生命科学中的重要性(ATP 的生物合成):

图b1

Mitchell 化学渗透学说: 其中从ADP生成ATP是非自发过程, H⁺扩散是自发过程, 即[d_iS_{ATP 合成}<0,d_iS_{H+ 扩散}> 0和d_iS_体系 >= 0]

热统报告RT03b9: 21世纪“热统”课程教学体系与内容改革方面应多一些宽容性少一些限制性:

“热力学与统计物理”课程的基本要求中不可能没有“热力学第二定律”内容, 而“热力学耦合”本身就是热力学第二定律的组成部分, 完全可以由各校教师确定如何讲授.

经典热力学中隐含的不考虑热力学耦合不是排他性, 而是事物发展的必然规律. 在Carnot循环的单一不可逆过程中确实不存在热力学耦合问题.

热力学耦合概念是D. Burk等在1931年前后提出的,Prigogine在1955年前后也指出: “众所周知, 耦合反应在生物过程中具有非常重的意义.

21世纪“热统”课程应该也可能及时反映热力学领域中基础性进展.

热统报告RT03b10: “Bug”的形成是有客观历史原因的

经典热力学的诞生是从Carnot循环起步的, 体系是非常确定的, 结论也是非常严谨的. 从Carnot循环导出热力学第二定律的数学表达式, 熵增原理等, 也是非常严谨的. 可是Carnot循环所研究的体系中只有一个单一过程的体系, 如果其中有不可逆过程必然是自发过程, 不可能是非自发过程. 单一过程的体系中不可能有热力学耦合. 在经典热力学的发展过程中, 这些隐含的前提条件并没有及时被明朗化. 反而因为经典热力学的成功而把这些隐含的前提条件淡化. 实际上这就是夸大了经典热力学的适用范围, 从而形成“bug”.

因此, 在明确经典热力学适用范围的前提下, 所有其它经典热力学部分的教材和教学内容都不必变动. 当然明确经典热力学适用范围的过程中也就必然明确现代热力学的适用范围和热力学领域的全貌等. 这部分的学时数不多, 却极其重要.

      在21世纪“热统”课程中及时反映热力学的基础性进展是可行的.

热统报告RT03b11: 2002年书稿评审意见和会议评价:

2002年在Springer出版的英文版“非平衡非耗散热力学及其在低压金刚石合成中的应用(NonequikibriumNondissipative Thermodynamics)”一书书稿评审意见的第一句是: “这本书是作者和他的课题组大量原创性工作的结果.(This book is the result of much original work by the author and his group.)”

2002年在国际固态化学会议(长春, 2002年8月9-12日)的大会闭幕式上美国Greenblatt教授代表会议组委会作学术总结时专门谈到王季陶的关于热力学的学术报告说: “我听了这个报告才知道: 什么时候该用经典热力学, 什么时候不该用经典热力学.”

热统报告RT03b12: Nature等文献中的评价:

Y. Gogotsi et al.,Nature 411, 283 (2001): “氢辅助条件下的低压金刚石生长理论方面和能够通过反应（1）和反应（2）耦合的方式解释金刚石生成的热力学耦合模型已经被很好地发展出来.[25]”[例如, 反应(1): 氢原子生成氢分子的自发反应, 和非自发反应 (2): 石墨(亚稳态)生成金刚石(稳态)]

B. Heimann, V.Raiko, V. Buck et al., 在Refractory Metals & HardMaterials 19(3), 169 (2001)一次就较系统地引用了我们1995-1997的5 篇论文说: “为了回答为什么金刚石能够在低压条件下生长这个问题, 热力学耦合模型[1-5]提出了非平衡热力学激活的作用. 使热力学平衡条件下稳定的石墨状态碳转化生成金刚石的推动力是来自于一个被耦合的超平衡氢原子缔合反应. H的浓度在热丝温度下是平衡的, 但在低很多的衬底温度下是超平衡的.从热力学耦合模型中得到的投影相图对理解Bachmann经验相图[6]可能是具有决定意义的.”

热统报告RT03b13: 国内著作中的评价:

2001年冶金工业出版社出版的戴达煌教授和周克崧教授等编著“金刚石薄膜沉积制备工艺与应用”第二章p.42指出: “本章将主要叙述一些化学气相沉积金刚石膜的形成机制,重点引述复旦大学王季陶教授在国际上首次提出的 ‘激活低压金刚石热力学耦合模型’和‘非平衡定态相图’的全新概念^[6].” p.191指出: “用非平衡热力学计算的C-H-O三元体系的非平衡定态相图^[7], 具有两个明显的特点: 第一, 温度、压强范围宽, 涵盖了低压化学气相沉积生长金刚石薄膜所使用的温度和压力；第二, 与大量的低压化学气相沉积生长金刚石膜的工艺实验数据相吻合. 与Bachmann总结的C-H-O三元相图相比,从涵盖面数据吻合上和学术意义上,作者认为非平衡定态相图,比较完善,科学, 对工艺的指导意义更具有说服力.”  

热统报告RT03b14: 现代热力学讲座VCD光盘(VCD光盘6张+电脑文件光盘1张)

讲授人: 复旦大学王季陶教授

地点: 合肥市中国科技大学

化学和材料学院青年教师培训班

时间: 2003年1月11-12日

本现代热力学讲座系列共6讲. 各讲的音像共6张光盘, 编号1-6. 可在VCD机上直接播放(也可在电脑上用适当软件播放).

每张光盘的讲课时间约1小时.