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百年來(lái)物理學(xué)家沒(méi)學(xué)好的熱力學(xué)第二定律

 老夫不請(qǐng)自來(lái)也 2018-01-16

根據(jù)科學(xué)網(wǎng)王季陶的博客整理

德國(guó)科學(xué)家魯?shù)婪?/SPAN>·克勞修斯Rudolf Clausius)是最早研究熵的科學(xué)家之一,而且為此物理量命名。他希望找到熵和系統(tǒng)中熱量流動(dòng)(dQ)之間的比例關(guān)系。按照在一熱力學(xué)循環(huán)中系統(tǒng)的熱可以轉(zhuǎn)換為功,而功也可以轉(zhuǎn)換為熱,克勞修斯認(rèn)為熱力學(xué)循環(huán)中所有轉(zhuǎn)換的代數(shù)和只能是正值,在一些特殊的情形下會(huì)是零?;谶@一思考,他提出了對(duì)于所有循環(huán)且可逆的過(guò)程應(yīng)該滿足的克勞修斯不等式(克勞修斯定理。

1865年,克勞修斯說(shuō)第二基礎(chǔ)原理在我所給出的形式中斷定在自然界中的所有轉(zhuǎn)變可以按一定的方向,就是我已經(jīng)假定是正的方向,而不需要補(bǔ)償?shù)赜伤鼈冏约哼M(jìn)行但是對(duì)相反的方向,就是負(fù)的方向,它們就只可能在同時(shí)發(fā)生的正轉(zhuǎn)變的補(bǔ)償下進(jìn)行

然而,克勞修斯熱力學(xué)第二定律的表述在一個(gè)多世紀(jì)的教科書(shū)中幾乎都沒(méi)有提到上述論斷。目前絕大多數(shù)熱力學(xué)教科書(shū)中只介紹不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不發(fā)生其他變化。” 稱為Clausius表述, 以及不可能從單一熱源取熱使之完全變成有用的功而不產(chǎn)生其他影響。” 稱為Kelvin表述等。這就相當(dāng)于克勞修斯的熱力學(xué)第二定律完整表述的前半句話被隱藏或閹割掉了。

一位資深的美國(guó)教授Truesdell評(píng)價(jià)說(shuō): “每一位物理學(xué)家都知道什么是第一和第二定律,但是根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有兩個(gè)物理學(xué)家對(duì)它們的認(rèn)識(shí)是相同的。” 這顯然意味著對(duì)熱力學(xué)的現(xiàn)實(shí)需要我們深思和變革。

1921年,伯克利加州大學(xué)的布雷(BrayWilliam)在用碘作催化劑使過(guò)氧化氫分解為水和氧氣時(shí),第一次發(fā)現(xiàn)了振蕩式的化學(xué)反應(yīng)。但依據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)第二定律,認(rèn)為任何化學(xué)反應(yīng)只能走向退化的平衡態(tài),因而當(dāng)時(shí)的化學(xué)家否定了這個(gè)發(fā)現(xiàn)。
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20世紀(jì)50年代,前蘇聯(lián)別洛索夫(Belousov)在研究三羧酸循環(huán)時(shí)發(fā)現(xiàn)了化學(xué)振蕩現(xiàn)象。最初的催化劑是Ce4+/Ce3+金屬鈰離子,還原劑是檸檬酸。反應(yīng)液在無(wú)色和黃色兩種顏色之間發(fā)生周期性的振蕩,振蕩頻率隨溫度升高而增加。由于這一時(shí)期仍然普遍認(rèn)為化學(xué)振蕩反應(yīng)是不可能發(fā)生的,別洛索夫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也自然不受重視。他兩次投稿都以無(wú)法解釋機(jī)理不可能的原因而被退了回來(lái),最后只得發(fā)表在一個(gè)不知名的期刊上。這使得別洛索夫本人的信心大大受挫,生物化學(xué)家Schnoll曾勸他繼續(xù)自己的研究,但別洛索夫還是執(zhí)意宣布從此淡出科學(xué)研究,并將這個(gè)反應(yīng)的原始資料給了Schnoll手中。1961年,前蘇聯(lián)的生物物理學(xué)畢業(yè)生Zhabotinsky(扎鮑廷斯基)在Schnoll的指導(dǎo)下,重新研究了這個(gè)反應(yīng)。他用丙二酸代替了檸檬酸,并且對(duì)這個(gè)振蕩反應(yīng)的機(jī)理作了一些解釋。這就是所謂的Belousov-Zhabotinskii反應(yīng),簡(jiǎn)稱B-Z反應(yīng)。

我們的熱力學(xué)課程僅適用于單()過(guò)程的簡(jiǎn)單系統(tǒng)熱力學(xué),長(zhǎng)期以來(lái)被當(dāng)作是完整的熱力學(xué),它回避了熱擴(kuò)散現(xiàn)象,回避了周期性的振蕩現(xiàn)象、周期性的循環(huán)變化,以及更復(fù)雜的螺旋形變化現(xiàn)象和非平衡復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)際出現(xiàn)的情況,而這些都是在(熱力學(xué))歷史上被稱為所謂"不可能"的現(xiàn)象,留下了一大片理論空白區(qū)。現(xiàn)在,高談闊論的熱力學(xué)第二定律把重心移到了能量耗散上, 往往是片面地一大堆數(shù)學(xué)推導(dǎo),卻沒(méi)有充分提及熱力學(xué)要點(diǎn) 的基本概念。其實(shí),物理學(xué)家們?cè)谶@個(gè)問(wèn)題上是暈暈糊糊的。

或許,找回克勞修斯的熱力學(xué)第二定律閹割掉的那部分“表述”,能夠有助于我們走出困境。

 

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