现代热力学—严谨要求

 

现代热力学是在经典热力学的基础上发展起来的。现代热力学并没有推翻经典热力学。正如爱因斯坦说过:

 

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.

 

必须注意：爱因斯坦说：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”。那么在经典热力学基本概念适用的范围以外是不是就应该做些发展呢？当然，答案是肯定的！同时必须认真学好经典热力学。

 

一．             推荐两本经典热力学教科书

 

1.      王竹溪, 热力学, 1955。这是国内很早的经典热力学教材。在一般的热力学教科书中普遍存在着一个矛盾. 一方面, 把热力学第二定律的等式 [即态函数的一级微分等于零] 没有限制条件地都看作是对应于平衡体系或只包含可逆过程体系的. 王竹溪前辈就严谨地指出 (p.158)

 

以上所讲的热平衡条件、力学平衡条件、相变平衡条件都是从某些热力学函数的第一级微分等于零得到的，因此这些条件只是平衡的必需条件，而不足以断定平衡究竟能否实现。要得到关于平衡的充足条件必须讨论有关的热力学函数第二级微分。

 

现在知道这是完全正确的。某些热力学函数的第一级微分等于零但是并不是极值时就可能是体系处于非平衡非耗散的情况，而不是平衡体系。

 

2.      傅献彩等, 物理化学 第四版, 1990（现在已有第五版, 2005）。据知这是国内印数最大的同类教材，也非常强调热力学的严谨性 (p. 15)：

 

热力学有着极其牢固的实验基础，具有高度的普遍性和可靠性。处理问题的方法也是严谨的，热力学第一定律和第二定律都是大量实验事实的总结，非常可靠。从这些定律出发，通过严密的逻辑推理而得出的结论，当然也具有高度的普遍性和可靠性。

 

二．             千万不要把熵增原理用于开放体系，薛定谔的“负熵”猜想不仅不严谨还可能是谬误

 

在以上两本书中都明确限定熵增原理用于孤立（或绝热）体系，甚至对孤立体系还作了说明（因为在经典热力学中非平衡态的熵是没有确定的意义）。薛定谔对生命体引入所谓“带负号的熵”仅仅是一种猜想，还可能是谬误。

我提出：生命体和汽车等“以能量为生”和薛定谔的生命体“以‘负熵’为生”的本质区别就是我的见解不是从熵增原理中得到的，而是从人们的日常宏观经验中得到的。例如“民以食为天”、动物以食物为生、植物以阳光为生、汽车要加油、纺织机要电源等。所有这一些都是为了补充能量（说补充有效能量或自由能，我也不反对）。因此生命体和汽车等都不是永动机，都符合热力学基本定律，逻辑推理非常严谨，结论十分可靠。

 

三．             深层讨论，打破学科局限

   正如曹天德博士所预期的那样，现代热力学没有否定经典热力学而是扩展了热力学学科的应用。然而在部分物理口老师中最大困难可能是对目前现代热力学的主要应用对象（复杂的化学反应和生化过程）不理解。在经典热力学适用范围内，卡诺定理、可逆、不可逆、平衡、非平衡等一系列基本概念都不需要变更。但是在复杂的多个不可逆过程相互耦合的体系中，必须引入非耗散、耗散、热力学耦合（或补偿）等概念。有的教科书中写得很清楚，“经典热力学只考虑平衡态”。在经典热力学中根本不存在热力学耦合问题，实际上都是只考虑简单的单一过程体系（简称非耦合体系,包括零过程的体系即平衡体系）。体系内过程的熵产生d_iS_p 永远等于体系的熵产生d_iS，即经典热力学的热二律是[d_iS_p = d_iS ≥ 0]。然而现代热力学专门研究多个不可逆过程之间相互存在耦合的复杂体系（简称耦合体系），即现代热力学的热二律是[d_iS₁< 0, d_iS₂> 0 & d_iS ≥ 0]。于是对应的就是非耗散热力学[d_iS₁< 0, d_iS₂> 0 & d_iS = 0]和耗散热力学[d_iS₁< 0, d_iS₂> 0 & d_iS > 0]。如果部分物理口的老师对多个不可逆过程之间相互存在耦合的复杂体系感到很难想象，就需要打破学科局限，实现深层讨论。

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