众所周知, 热力学是一门严谨的宏观能量变化的基础学科. 在正确的热力学理论基础上, 断定不可能出现的事(永动机), 是决不可能发生的.

林宗涵:“热力学与统计物理学”一书在我国热力学界还是属于经典热力学方面比较具有影响力的, 内容很多. 因此本文的评述中, 并不是对该书的热力学部分的全面评价. 而是对该书的“第一章热力学的基本概念与基本规律”第一节开始就对“热力学学科” 名称和定义进行明显混淆的一种评论和纠正.这种混淆是严谨的热力学学科中极其不应该的, 为此坦诚提出我的意见.

一. 该书对“热力学学科”的名称和定义的混淆

该书从一开始就说:

“§1.1热力学的研究目的

热力学是研究热现象的宏观理论, 笼统地说, 热力学是研究热现象规律及相关物理性质, 按其内容, 可以分成三个部分:

● (传统)热力学

…

● 非平衡态热力学(线性部分)

…

● 非平衡态热力学(非线性部分)

…”

显然这样任意的划分, 实际上是掩饰和继承20世纪后期的热力学混乱局面. 这里说“掩饰”是指该书著作者也是明明知道1968年诺贝尔化学奖对昂萨格倒易关系评价中的所谓“不可逆过程热力学的基础. (fundamental for the thermodynamics ofirreversible processes.” 和1977年诺贝尔化学奖对普里高津“对非平衡热力学的贡献(for his contributions to non-equilibriumthermodynamics)"等热力学相关评价中, 存在着明显的学术漏洞, 而在这些分类名称中添加了一个“非平衡态”的“态”字来进行掩饰. 当然该书著作者可能并非是第一家. 很可能是继承了Kondepudi D, Prigogine I. ModernThermodynamics — From Heat Engines to Dissipative Structures (1998) 一书中三个热力学的发展阶段的说法..

该书著作者也同时是明明知道: “昂萨格倒易关系是微观可逆性在宏观输运性质中的表现, (该书p. 233)”以及“它不能从热力学理论得出. 昂萨格根据统计物理以及微观可逆性推导出上述关系(见§11.7 昂萨格倒易关系的证明, p.603-615).”因此, 昂萨格倒易关系明显不属于热力学等, 而所谓“●非平衡态热力学(线性部分)”和所谓“●非平衡态热力学(非线性部分)”的分类是任意的.    

就拿第一章第一小段: “● (传统)热力学”来说, 该书著作者也出现几处罕见的错误或逻辑上不合理地明显贬低“经典热力学”. 例如,

1. 该书说:

“热力学的英文是thermodynamics, 这一名词有点毛病. 习惯上dynamics (动力学)描述随时间的演化, 然而传统热力学理论中完全不出现时间变量, … .” (p. 1)

这是著作者犯了一个明显错误, 把dynamics误解为kinetics. 实际上从thermodynamics字的组成来说, 分别是由希腊字的热 θέρμη (thermo相当于英文的heat)和功δύναμις (dynamics相当于英文的power)两部分组成的(参见OxfordAmerican Dictionary).  

2. 该书接着又说:

“既然没有时间变量, 当然谈不上 ‘dynamics’. 于是有人改用‘平衡态热力学(equilibrium thermodynamics), 尽管它概括了理论的大部分内容, 但未能反映热力学第二定律关于不可逆过程方向的论断. 还有用‘经典热力学(classical thermodynamics)’, 不过, 只有统计物理(微观理论)才有‘经典’和‘量子’的区分, 因为涉及如何描述微观运动规律; 而热力学是宏观理论, 完全不管物质的微观结构和运动规律. 因此热力学是没有‘经典’和‘量子’之分的.

这里用‘传统热力学’来概括这部分理论, 或者干脆称之为热力学吧.” (p. 2)”

显然这里实际上出现了六七个“xx热力学”的专业基础名词和概念(传统热力学, 热动力学, 平衡热力学, 平衡态热力学, 经典热力学, 热力学).其中‘平衡态热力学(equilibrium thermodynamics)的翻译也不对, ‘平衡态热力学应该是thermodynamics for equilibrium states, 而平衡热力学才是equilibrium thermodynamics. 其中对‘经典热力学(classical thermodynamics)的否定, 也是在逻辑上无法站住脚的. 在‘经典热力学(classical thermodynamics)’宏观理论的另一方为什么不能称为‘现代热力学(modern thermodynamics)’呢!(当然, 1998年普里高津等的“Modern Thermodynamics, 现代热力学”用法并不正确.) 最后该书就用一句话来掩饰, 也就是说“干脆称之为热力学吧.” 这样的热力学教科书的开场白在国内外都是罕见的, 也就无法让这本“热力学教科书”成为一门严谨的学科!

事实上, “经典热力学”的名称恰恰就是由一批严谨和正直的学者在20世纪30-40年代提出来的. 在1824年-1920年前后创建的热力学新学科的出色成就, 突破了牛顿力学的一统天下, 于是接着就出现了一批形形色色“xx热力学”来进行混淆. 1946年爱因斯坦就出来仗义执言: “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 ismore impressive the greater the simplicity of its premises is, the moredifferent kinds of things it relates, and the more extended its area ofapplicability. Therefore the deep impression which classical thermodynamicsmade upon me. It is the only physical theory of universal content concerningwhich I am convinced that, within the frame-work of the applicability of itsbasic concepts, it will never be overthrown.)”

相比之下, 我非常坚信爱因斯坦的这段“经典热力学”论断的正确性和严谨性. 而且林宗涵: “热力学与统计物理学”一书中, 真正有理论依据的热力学部分实际上还是属于经典热力学. 例如, 该书的对热力学第二定律的表述就是: 1850年的“克劳修斯的表述: 不可能把热从低温物体传高温物体而不产生其他影响.” (该书p.34)和1851年的“开尔文表述: 不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不产生其他影响.” (p.34)就是经典热力学对热力学第二定律的核心表述.此外, 该书还强调了两种表述的等价性. “第二定律的开尔文表述与克劳修斯表述表面上不同, 但可以证明两者是完全等价的.”(p.35) 然后得到结论: “一切不可逆过程都是相互联系的. … 原则上说, 第二定律可以有无穷多种不同的表述形式, 当然它们彼此是完全等价的. 在对物理系基本规律的表述上, 热力学第二定律的这一特点是独一无二的.” (p.38) 我必须明确指出: 该书(p.38)的一段, 只有在“我(爱因斯坦)深信在其(经典热力学)基本概念适用的范围内是绝不会被推翻的.” 否则就是错误的!

为此我不得不从2003年起就开始提出“经典热力学的定义和适用范围”: 就是适用于只有自发过程和可逆过程简单体系的热力学, 以及从低压人造金刚石热力学耦合理论模型基础上提出的“现代热力学的定义和适用范围”: 就是适用于包含非自发过程耦合体系的热力学”等一系列热力学基础理论的创新, 当时还特别介绍了现代热力学的非平衡非耗散热力学新领域的创建(我的2002年英文专著: J.-T. Wang,Nonequilibrium Nondissipative Thermodynamics - With Application to Lw-Pressure DiamondSynthesis, Springer, 254 pages 和相关的国内外肯定书评等.对此林宗涵教授是一清二楚的, 因为我和林教授就是在2003年8月内蒙古大学在呼和浩特召开的 “热力学与统计物理”青年骨干教师培训班上相识的, 此后还相互赠书. 2003年我的报告题目就是“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”.  

因此, 在林宗涵:“热力学与统计物理学”一书中提出“不过, 只有统计物理(微观理论)才有‘经典’和‘量子’的区分, 因为涉及如何描述微观运动规律; 而热力学是宏观理论, 完全不管物质的微观结构和运动规律. 因此热力学是没有‘经典’和‘量子’之分的.” 是面对客观现实的逻辑错误. 在当今能够得到克拉级低压人造金刚石的事实面前, 连低压人造金刚石根本不是“热力学永动机”或“点金术(alchemy)”的相应热力学理论解释都无法提供的“热力学教科书”肯定不是一本推动当前历史发展的“热力学教科书”.

二.              对“热力学学科”的定义不容混淆

就拿“热力学的研究目的”来说, 霍尔曼著“Thermodynamics 热力学(1980)”教科书的第一章就说明：“热力学是研究能量及其转换的科学.(Thermodynamics is a part of science doing research on energy and energytransformation.)”一句话就远远超出了林宗涵:“热力学与统计物理学”一书的“热力学的研究目的”开场白. 或者说: 热力学是从能量及其转换角度研究由大量(10²³)粒子(或单元)组成宏观体系变化和发展的基础科学. 由此可以看到热力学学科对科学技术和社会发展的重大意义.

整个热力学的理论基础就是人类宏观经验总结. 其中最主要的就是热力学第一定律(第一类永动机不可能), 热力学第二定律和热力学第三定律(第二类永动机不可能)—两大基本定律. 热力学第二定律又是热力学的核心. 从逻辑上还需要加上热平衡定律(又称热力学第零定律, the zeroth lawof thermodynamics)和局域平衡近似, 否则无法测量温度和进行天气预报.

与此同时, 把根本不属于“研究能量转换的课题”, 极其通俗的“热电偶效应”等夸大为“● 非平衡态热力学(线性部分)”也是极其错误的. 因为在热电偶效应的研究中, 通常只考虑温差和电动势之间的关系, 而不考虑热流和电流的因素, 因此和热电之间的能量转换完全没有关系, 根本就不涉及“永动机”的研究不是热力学. 把这样的混淆也写入教科书, 只能是祸害下一代的.

三. 纠正可以从1865年克劳修斯表述开始

众所周知, 克劳修斯是创建热力学学科的最重要贡献者. 就在他提出熵增原理成为热力学学科创建成功标志的著名论文中, 明确提出克劳修斯热力学第二定律的1865年表述: (5. ClausiusR. Mechanical Theory of Heat. London: John van Voorst, 1867, p.364)

“第二定律, 在我所给出的形式中, 断定在自然界中的所有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 havegiven to it, asserts that all transformations occurring in nature may takeplace in a certain direction, which I have assumed as positive, by themselves,that is, without compensation; but that in the opposite, and consequentlynegative direction, they can only take place in such a manner as to becompensated by simultaneous occurring positive transformations.)”

作为林宗涵: “热力学与统计物理学”一书的热力学第一部分“● (传统)热力学” 对克劳修斯热力学第二定律的1865年表述作介绍应该是没有任何困难.

克劳修斯热力学第二定律的1865年表述的分号前半部分实际上就是说: 对只有自发过程的简单体系来说可以单独自己进行, 整体熵增一定是正的[d_iS = d_iS₁ ≥ 0]; 而分号后半部分实际上就是说: 对包含非自发过程的耦合(或补偿)体系来说, 只能在同时自发过程的的的耦合(或补偿)条件下才能进行, [d_iS₁ > 0, d_iS₂ < 0 & d_iS = (d_iS₁ + d_iS₂) ≥ 0]. 其中, d_iS₁, d_iS₂和d_iS分别是自发过程, 非自发过程和整个体系的整体熵增. 所谓整体熵增就是d_iS ≡ (dS+ dS_surroundings), 而整体熵增原理就是普适的热力学第二定律数学表达式: d_iS ≡ (dS+ dS_surroundings) ≥ 0.

于是, 整个热力学基本分类中形形色色的“热力学”专业名词都得到明确的定义: 例如:

经典热力学就是只有自发过程或可逆过程简单体系的热力学,[d_iS = d_iS₁ ≥ 0].

现代热力学就是包含非自发过程复杂耦合体系的热力学,[d_iS₁ > 0, d_iS₂ < 0 & d_iS = ≥ 0].

相应地, 经典热力学可以根据等式和不等式分成: 平衡热力学, 又称可逆过程热力学, [d_iS = d_iS₁ = 0]和非平衡热力学, 又称不可逆过程热力学, [d_iS = d_iS₁ > 0].

现代热力学可以根据等式和不等式分成: 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].

这样的纠正中, 不需要引入任何其他学科的假定或前提, 而且这些不同的热力学分支领域的代表性成果显赫如下:经典的平衡热力学 (平衡相图理论); 经典的非平衡热力学(气体混合); 现代热力学的非耗散热力学(低压人造金刚石的非平衡相图理论); 和现代热力学的耗散热力学(螺旋反应-化学振荡-单向循环反应三位一体).

于是, [经典热力学+现代热力学] 就成为一个完整的热力学学科. 而所谓“●非平衡态热力学(线性部分)”和所谓“●非平衡态热力学(非线性部分)”的内容根本就不属于热力学.

作出热力学基础理论创新和纠正, 是需要学术上“创新中国”的勇气, 只有不需要引入其他学科的前提和假定的，才是真正的热力学.