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)

“热力学与统计物理”青年骨干教师培训班,

2003年8月18日内蒙古大学, 呼和浩特

王季陶教授报告

复旦大学微电子学院

  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, 影响面比较大. 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.

  但是要制作相应的录像文字表述很费时日. 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年报告的核心是: 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. 这方面是有众人所看到的反面沉痛教训的!

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. 点击以下的链接:

http://v.youku.com/v_show/id_XMTgxMDQ2Mzk1Ng==.html

热统报告RT03a1: 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:

I. 当前热力学现状的警示!

II. 现代热力学的重要特征– 热力学耦合现象

III. 热力学的完整基本分类系统

IV. 请不要再传布19世纪的经典“bug”

V. 培养21世纪的“热力学与统计物理”青年骨干教师

VI. 低压金刚石合成问题开拓的非平衡非耗散热力学新领域

热统报告RT03a2: 非平衡非耗散热力学及其在低压金刚石合成中的应用:

图a1

Nonequilibrium Nondissipative Thermodynamics

With Application to Low-Pressure Diamond Synthesis

Witten by J.-T. Wang, Springer, Heidelberg (2002),254pages

热统报告RT03a3: I. 当前热力学现状的警示!

“热力学是科学的核心内容. 现在大部分书籍中几乎都原封不动地按照19世纪的方式来描述热力学.

(Thermodynamics is a core of science. Most bookspresentthermodynamics very much the way it was presented in the 19th century.)”inbrief introduction of a book written by Dilip Kondepudi & Ilya Prigogine.[ModernThermodynamics¾From Heat Engines to Dissipative Structures, Wiley,508 pages(Aug.1998)]

热统报告RT03a4: II. 现代热力学的重要特征—热力学耦合:

经典数学形式: (dS)_iso >= 0 或(dG)_T,p <=0

普适数学形式: 任何体系的熵产生永远大于等于零.

d_iS (熵产生) >= 0.

     dS(熵增)=d_eS(熵流)+d_iS(熵产生). [等温等压T d_iS= -(dG)_T,p]

     (熵流: 由于和环境交换引起的熵增部分)

     (熵产生: 由于内部过程引起的熵增变部分)

实质性发展: 非自发过程的负熵产生[d_iS₁< 0]可以通过同一体系中自发过程的正熵产生[d_iS₂> 0]来补偿, 整个体系符合第二定律[d_iS= (d_iS₁+d_iS₂) >= 0], 此即热力学耦合.

     其判据为: [d_iS₁< 0, d_iS₂ >0和d_iS >= 0]; 等温等压体系的热力学耦合判据为: [(dG₁)_T,p>0,(dG₂)_T,p<0和(dG)_T,p <= 0]

热统报告RT03a5: 热扩散现象(Onsager’s倒易关系):

图a2

热扩散现象: 均匀的A-B混合气, 在热传导时会分离成不均匀. d_iS_扩散<0, d_iS_热导> 0和d_iS_体系>= 0. 因此热力学耦合(又称反应耦合)的情况是可能的, 即:[d_iS₁<0, d_iS₂>0 和d_iS >=0]. 其中d_iS =(d_iS₁ +d_iS₂),d_iS₁, d_iS₂ 和 d_iS 分别是过程1, 过程2和体系的熵产生.

X和J分别表示热力学力和流.下标1和2分别表示扩散和热传导:    J₁=L₁₁X₁+L₁₂X₂,J₂=L₂₁X₁+L₂₂X₂

可导出Onsager倒易关系: L₁₂=L₂₁

热统报告RT03a6: 化学振荡(Prigogine’s耗散结构):

图a3

FKN机理中的C过程是A和B逆反应和供能反应W的热力学耦合

A: BrO₃^-+2Br^-+3CH₂(COOH)₂+3H⁺=3BrCH(COOH)₂+3H₂O

B: BrO₃^-+4Ce³⁺+5H⁺=HOBr+4Ce⁴⁺+H₂O

C: HOBr+4Ce⁴⁺+BrCH(COOH)₂+H₂O=2Br^-+4Ce³⁺+3CO₂+6H⁺

     [△G_[(-A)+(-B)]>0, △G_W<0& △G_C<0], C=[(-A)+(-B)+W]

W: 2BrO₃^-+3CH₂(COOH)₂+2H⁺=2BrCH(COOH)₂+3CO₂+H₂O