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用实际行动纪念克劳修斯诞生190周年
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用实际行动纪念克劳修斯诞生190周年
作者: 王季陶
[这是我在”2011热力学和统计物理研讨会, 7月22-26日 贵阳”大会报告的核心内容基础上整理的博文]
【如果你是热力学课程的老师, 你敢不敢给学生讲授这一克劳修斯在1865年的复过程热力学第二定律的重要表述!】
施郁博主在2011年1月1日写了一篇 “1月2日：克劳修斯同志诞辰190年”博文. 毕竟克劳修斯(Rudolf Clausius, 1822-1888)是热力学学科最重要的奠基人, 但不是他自认的“热力学唯一奠基人”. 克劳修斯是通过开尔文 (Lord Kelvin, 原名 汤姆森William Thomson, 1824--1907)和克拉贝隆 (Emile Clapeyron, 1799--1864)的论文才知道卡诺的. 特别是克劳修斯在1864年看到卡诺的原著后才写出最重要的1865年论文. 此外还不应该遗漏后来吉布斯(Josiah Willard Gibbs, 1839--1903)等的功绩. 由此也引出了一段很重要的科学发展史.
同时, 更重要的是我们要以实际行动来纪念克劳修斯诞生190周年!
怎么做? 很简单, 只要如实地在热力学课程中介绍克劳修斯在1865年的复过程热力学第二定律的重要表述就行!
克劳修斯在1865年发表的著名论文中[Clausius R. Mechanical Theory of Heat [M], London: John van Voorst, 1867], 对他自己的热力学研究作了一次系统的总结: 引入了熵函数, 得到了克劳修斯不等式 dS >= dQ/T, 以及适用于孤立(或绝热)体系或熵增原理. 在克劳修斯的同一篇论文中, 克劳修斯还说: (p. 364)
第二基础原理, 在我所给出的形式中, 断定所有在自然界中的转变可以按一定的方向, 就是我已经假定是正的方向, 而不需要补偿地由它们自己进行; 但是对相反的方向, 就是负的方向, 它们就只可能在同时发生的正转变的补偿下进行. (The second fundamental theorem, in the form which I have given to it, asserts that all transformations occurring in nature may take place in a certain direction, which I have assumed as positive, by themselves, that is, without compensation; but that in the opposite, and consequently negative direction, they can only take place in such a manner as to be compensated by simultaneous occurring positive transformations. )
如果你是热力学课程的老师, 你敢不敢给学生讲授这一克劳修斯在1865年的复过程热力学第二定律的重要表述!
这是几乎人人都可以理解和肯定,从来没有引起争议的宏观经验事实的总结, 可是基本上国内外的热力学教科书中都一代一代地把这一段话给阉割掉了. 是不是前人没有看到这篇论文? 不可能. 因为同一篇论文中克劳修斯的“热寂论”, 就被广泛地流传的. 如果过去有人介绍克劳修斯在1865年的复过程热力学第二定律的重要表述, 就会给经典热力学添上大麻烦, 并引入一系列的“问题”.
克劳修斯这一引文中的“补偿”, 就是现代热力学中的“热力学耦合”, 相应的数学表达式就应该是: diS1 > 0, diS2 < 0 & diS >= 0. 其中diS1 > 0 就是自发过程的熵产生是正的, 而非自发过程的熵产生是负的, diS2 < 0; 而经过补偿以后整个体系的熵产生仍然不可能是负的, 即 diS = (diS1 + diS2) >= 0.
先不说其他的, 荣获1977年诺贝尔化学奖的普里高京恰恰就是在这个克劳修的“补偿”, 也就是现代热力学中的“热力学耦合”数学表达式上犯了错误, 把相应的数学表达式添加了一个脱离实际表示“标准条件下”的上标 “0”, 阻碍了他对现代热力学的真正贡献; 而荣获1968诺贝尔化学奖的昂萨格本人就说明是“非热力学的假定”基础上得到昂萨格倒易关系的. 而从克劳修的“补偿”, 或现代热力学的“热力学耦合”中得到的“非平衡单向循环反应”中无法推导得到昂萨格倒易关系.
由此可见, 克劳修斯不仅是热力学学科最重要的奠基人, 还是现代热力学的启蒙大师. 此外, 这一克劳修斯在1865年的复过程热力学第二定律的重要表述还应该是长期空缺的当今复杂系统和复杂系统科学的定义和最重要最稳固的基石(但不是唯一的). 特别是, 热力学是近代科学中的重要基石和热力学具有普遍性. 因此, 非常值得我们用实际行动来纪念他的诞生190周年.
如果我们敢于讲授, 并大力宣传这一克劳修斯在1865年的复过程热力学第二定律的重要表述! 整个热力学学科将发生重大的进步 – 进入真正的现代热力学新世纪, 并必定带动其他相关学科的进一步发展.
注: 我只有克劳修斯在1865年的复过程热力学第二定律的重要表述的英文论文集的原著, 真正的克劳修斯原著应该是德文的, 衷心希望得到施郁博主或任何其他人的帮助提供相关的德文原著.
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