当今要检查是否实行热力学创新教育和成果如何, 极其简单, 只要问一句话: 老师和同学们是否知道如何在热力学上说明低压人造金刚石? 或者问是否知道如何处理包含非自发过程耦合复杂体系的热力学?

如果同学们摇头, 那么什么热力学的“xxx教育”等都是空话或假话. 因为低压人造金刚石在过去的热力学教科书中有类似“在低压下, 从石墨得到金刚石是不可能的. ”的说法. 因此低压人造金刚石经历了约20年才得到全世界媒体的广泛报道和宣传, 并轰动全世界! 上世纪90年代, 如火如荼地, 各地都有报道低压人造金刚石试制成功的消息. 在北京, 上海, 合肥也都宣布过成功. 甚至目前在美国已经得到10-15克拉的钻石级的低压金刚石.

1.  热力学的创新教育发展势不可挡!

如今约40年过去了, 那么热力学老师们敢不敢面对低压人造金刚石成功的现实呢? 有的老师就敢于实现创新教育, 把物理系热力学课程的网上第一本参考书就指定为2010年版的“现代热力学”. 在2015年12月20日我还专门写了一篇博文介绍“倪光炯, 王炎森教授的国际领先热力学基础理论教学创新”http://blog.sciencenet.cn/blog-307912-944680.html,这本书在国内作为100多个高等院校的文科物理教材使用, 包括了热力学创新部分. 此外, 有的国内外理工科大学老师告诉我, 他们也对同学们用我们的现代热力学著作做了介绍或讲课等.

显然, 也有教了热力学10几年的, 连最基础的内容“什么是热力学基本参数和态函数?”, “什么是热力学特性函数?”都没有分辨清楚是两种完全不同的概念, 就把国外Zemansky的热力学教科书吹捧, 再把我国的热力学前辈王竹溪的热力学中文教科书贬为“为全体西方物理教学界所一致排斥”. 从而分成两个对立或不同的学派, 据此把同学们和公众引向热力学的错误泥坑中, 危害很大. 其实有“全体西方物理教学界”的外国人都能够看懂中文热力学教科书再"一致排斥",就是胡编出来坑害人的伪科学虚假怪事!

从卡诺的1824年到克劳修斯, 吉布斯等20世纪二三十年代近百年的热力学发展成就是有目共睹的. 同时也引来了热力学的“胡吹乱捧学派”或“胡批乱判学派”. 爱因斯坦在1946年义不容辞地说: “一个理论的前提越简单, 涉及的不同种类的东西越多, 领域的适用面越广, 就越是给人印象深刻，因此经典热力学给我留下深刻的印象. 它是唯一适用性如此广泛的物理理论，我深信，在其基本的概念适用范围内，永远不会被推翻的. (A theory is the more impressive the greater thesimplicity of its premises is, the more different kinds of things it relates,and the more extended is its area of applicability. Therefore the deepimpression which classical thermodynamics made upon me. It is the only physicaltheory of universal content concerning which I am convinced that within theframework of the applicability of its basic concepts, it will never beover-thrown.)”爱因斯坦的表达是非常正确的. 我深信国外的Zemansky和我国王竹溪的,受到过普遍欢迎的大学本科热力学教科书都基本上同属于一个“爱因斯坦的经典热力学学派", 简称 "经典热力学学派",以及“经典热力学…在其基本的概念适用范围内,永远不会被推翻的.”但是爱因斯坦毕竟不是专门研究热力学, 没有给出“经典热力学”的明确定义. 通常认为就是指1824-1920s时期发展的热力学.

热力学是一门严谨的基础理论学科, 整个热力学就是基于人类的宏观经验总结任何概念的引入都必须有明确的定义和适用范围等. 考虑到所有自然界的宏观转变总是可以分成自发过程和非自发过程两大类，所以我们不同于国内外一些热力学教科书，提出如下界定(定义和适用范围等):

[经典热力学的界定: 适用于只有自发过程简单体系的热力学, 理想极限为平衡体系热力学或可逆过程热力学.]

[现代热力学的界定: 适用于非自发过程耦合体系的热力学, 理想极限为非耗散体系热力学.]

于是得到

[整个热力学学科 ≡ 经典热力学 + 现代热力学]

相应地得到

[热力学学科的完整基本分类]

图1适用于整个宏观世界或称大自然(不包括尚不清楚的宇宙整体)的能量和能量转换. (未考虑重力场等因素). 其中d_iS = (d_iS₁+d_iS₂)≥ 0 就是适用于任何体系的整体熵增不可能为负的整体熵增原理表达式, 体系整体熵增的定义就是体系的熵增加环境的熵增(d_iS≡ dS_system+dS_surr)之和. 而d_iS₁和d_iS₂分别是自发过程和非自发过程的整体熵增.

我们没有引入热力学所不应该, 也不允许的任何假定和前提. 我们整个热力学的创新发展过程历时25年, 结论是如此简单明了, 却带来一项热力学基础理论的重大创新突破.

热力学发展史上只有两次重大创新机遇

(1).    自发简单体系的(经典)热力学创建(1824-1920s): 热机的出现和卡诺定理突破了牛顿力学一统当时近代科学天下的局面.

(2).    非自发过程耦合体系的现代热力学创建(主要1990以后在前人经验总结基础上的创新发展): 低压人造金刚石成功及其相应的热力学耦合理论突破了经典热力学一统热力学学科的局面!

1.低压人造金刚石的热力学耦合理论

这一理论模型在1990年首先由复旦大学王季陶和瑞典Jan-Otto Carlsson共同提出. 1991年3月起我从瑞典回到复旦, 一直到1994年底, 我们在复旦花费了整整几年时间, 突破了热力学耦合理论的定量计算:

[1] H*(超平衡原子氢)=0.5 H₂ , D_iS₁= 93. 93 J K^-1> 0

[2] C (石墨) = C (金刚石)，D_iS₂ =- 5.80 J K^-1< 0

[3] = [2] + c [1]，

    C (石墨) + cH* = 0.5 c H₂+C (金刚石)

只要反应速率比 c = r₁/ r₂=不是太小, 总反应: D_iS= 20.50 J K^-1 ≥ 0, 符合热力学第二定律.

[典型生长条件T:1200K, p:10 kPa, 及T_激活:2400 K]

我们1997年的理论计算非平衡相图, 见图2(a)就被2001年的Ashfold实验总结所证实,见图2(b)[J. of Phy. Chem. & Chem. Phy. (PCCP)(2001) ]. 这就是 "实践是检验真理的唯一标准".

图2 我们的非平衡相图和在国内外发表的低压金刚石可靠实验数据定量相符

现代热力学的数学表达式[D_iS₁> 0, D_iS₂ < 0 &D_iS≥ 0]体现了现代热力学就是包含非自发过程耦合复杂体系的热力学第二定律的数学表达式,并称之为热力学耦合. D_iS和d_iS都是整体熵增, 但是后者表达的时间更短.

在过去被经典热力学被认为是热力学上不可能实现的低压人造金刚石“点金术(alchemy)”,却恰恰成为当今检验是不是真正现代热力学创新科技和热力学创新教育的最坚硬的试金石.