擴(kuò)展卡諾定理非耗散

1、現(xiàn)代熱力學(xué)---基于擴(kuò)展卡諾定理,(中英文版同名新書(shū)的簡(jiǎn)介) 王季陶 (復(fù)旦大學(xué), 微電子學(xué)系; jtwang@fudan.ac.cn)[2009年高校 “熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”研討會(huì)8月17日, 廈門(mén)]1989年至今作者著有6本原創(chuàng)性專(zhuān)著, 4本已出版(1本Springer英文版), 今年中英文各1本即將出版. 20年研究成果可以歸納為一句話(huà) -- 擴(kuò)展卡諾定理: “非耗散”(而不是 “可逆”)能量轉(zhuǎn)換是效率最高的充分必要條件.,1

2、,卡諾定理 (可逆熱機(jī)的效率最高), 只適用于卡諾循環(huán)等循環(huán)過(guò)程, 而擴(kuò)展卡諾定理適用于任何宏觀(guān)過(guò)程 (包括卡諾循環(huán)等循環(huán)過(guò)程).,現(xiàn)代熱力學(xué)---基于擴(kuò)展卡諾定理,(中英文版同名新書(shū)的簡(jiǎn)介) 王季陶 (復(fù)旦大學(xué), 微電子學(xué)系; jtwang@fudan.ac.cn)[2009年高校 “熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”研討會(huì)8月17日, 廈門(mén)]1989年至今作者著有6本原創(chuàng)性專(zhuān)著, 4本已出版(1本Springer英文版), 今年中英文各1本即

3、將出版. 20年研究成果可以歸納為一句話(huà) -- 擴(kuò)展卡諾定理: “非耗散”(而不是 “可逆”)能量轉(zhuǎn)換是效率最高的充分必要條件.,2,卡諾定理 (可逆熱機(jī)的效率最高), 只適用于卡諾循環(huán)等循環(huán)過(guò)程, 而擴(kuò)展卡諾定理適用于任何宏觀(guān)過(guò)程 (包括卡諾循環(huán)等循環(huán)過(guò)程).,現(xiàn)代熱力學(xué)---基于擴(kuò)展卡諾定理,(中英文版同名新書(shū)的簡(jiǎn)介) 王季陶 (復(fù)旦大學(xué), 微電子學(xué)系; jtwang@fudan.ac.cn)[2009年高校 “熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理

4、”研討會(huì)8月17日, 廈門(mén)]1989年至今作者著有6本原創(chuàng)性專(zhuān)著, 4本已出版(1本Springer英文版), 今年中英文各1本即將出版. 20年研究成果可以歸納為一句話(huà) -- 擴(kuò)展卡諾定理: “非耗散”(而不是 “可逆”)能量轉(zhuǎn)換是效率最高的充分必要條件.,3,卡諾定理 (可逆熱機(jī)的效率最高), 只適用于卡諾循環(huán)等循環(huán)過(guò)程, 而擴(kuò)展卡諾定理適用于任何宏觀(guān)過(guò)程 (包括卡諾循環(huán)等循環(huán)過(guò)程).,四本已出版的現(xiàn)代熱力學(xué)系列原創(chuàng)性專(zhuān)著,4,1

5、998:熱力學(xué)耦合模型.2000:建立非平衡相圖理論.2002:英文版由Springer出版創(chuàng)建非耗散熱力學(xué). 2005:完整的熱力學(xué)學(xué)科體系.,一. 熱力學(xué)領(lǐng)域中的長(zhǎng)期困惑,5,一位資深的美國(guó)教授特魯斯戴爾(C. Truesdell, 1919-2000)曾經(jīng)說(shuō)過(guò): “每個(gè)物理學(xué)家都確切知道第一定律和第二定律的含義, 但是根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)是沒(méi)有兩個(gè)物理學(xué)家的認(rèn)識(shí)是一致的. (Every physicist knows exactly

6、 what the first and second laws mean, but it is my experience that no two physicists agree on them.)”,如果他的意見(jiàn)或感覺(jué)是正確的, 也就意味著熱力學(xué)第二定律在20世紀(jì)并沒(méi)有被真正認(rèn)識(shí)清楚. 事實(shí)也證明確實(shí)如此.,卡諾定理認(rèn)為: 可逆熱機(jī)的效率最高. 卡諾定理是 “熱力學(xué)的奠基石”, “第二定律的起步點(diǎn)”, 卡諾定理和第二定律是19世紀(jì)初

7、 “人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)”, “有著牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)”, “不可能從其他更基礎(chǔ)的定理中推導(dǎo)出來(lái)”. 但是熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)是 “時(shí)間的箭頭(arrow of time)”[A. Eddington]. 這和卡諾定理強(qiáng)調(diào) “可逆性”的矛盾過(guò)去長(zhǎng)期沒(méi)有得到解脫.,6,二. 困惑的根源 --- 卡諾定理(2008),作者可能是180多年來(lái)第一個(gè)在近年提出: 困惑的根源就是卡諾定理. 卡諾仍然是熱力學(xué)的奠基人之一, 功不可沒(méi), 同時(shí)科學(xué)是發(fā)展的.,卡

8、諾定理認(rèn)為: 可逆熱機(jī)的效率最高. 卡諾定理是 “熱力學(xué)的奠基石”, “第二定律的起步點(diǎn)”, 卡諾定理和第二定律是19世紀(jì)初 “人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)”, “有著牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)”, “不可能從其他更基礎(chǔ)的定理中推導(dǎo)出來(lái)”. 但是熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)是 “時(shí)間的箭頭(arrow of time)”[A. Eddington]. 這和卡諾定理強(qiáng)調(diào) “可逆性”的矛盾過(guò)去長(zhǎng)期沒(méi)有得到解脫.,7,二. 困惑的根源 --- 卡諾定理(2008),作者可能是

9、180多年來(lái)第一個(gè)在近年提出: 困惑的根源就是卡諾定理. 卡諾仍然是熱力學(xué)的奠基人之一, 功不可沒(méi), 同時(shí)科學(xué)是發(fā)展的.,擴(kuò)展卡諾定理認(rèn)為: 非耗散能量轉(zhuǎn)換的效率最高. 可逆不是能量轉(zhuǎn)換效率最高的必要條件, 而非耗散才是能量轉(zhuǎn)換效率最高的充分必要條件. 卡諾定理只適用于卡諾循環(huán)等循環(huán)過(guò)程. 擴(kuò)展卡諾定理是普適的, 也包含了卡諾定理, 但不能反過(guò)來(lái)說(shuō). 卡諾定理是擴(kuò)展卡諾定理的一個(gè)特例.,8,三. 擴(kuò)展卡諾定理(2005),擴(kuò)展卡諾定理是

10、熱力學(xué)的擴(kuò)展奠基石, 第二定律發(fā)展的新起點(diǎn), 也是當(dāng)前21世紀(jì)人類(lèi)大量日常宏觀(guān)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié).,如果有一個(gè)理想的非耗散太陽(yáng)能電池把太陽(yáng)能100%地非耗散轉(zhuǎn)換成電能, 它的效率一定是最高的. 不可能再高到100.1%, 因?yàn)椴荒苓`背熱力學(xué)基本定律. 不需要追求 “可逆”的太陽(yáng)能電池, 因?yàn)橐央娔苤匦罗D(zhuǎn)換成太陽(yáng)光讓太陽(yáng)重新收回是永遠(yuǎn)不可能的.,9,近代經(jīng)驗(yàn)事實(shí)一: 光電轉(zhuǎn)換,生命現(xiàn)象也是永遠(yuǎn)不可能 “可逆”, 即生命是不可能 “返老回童”的.

11、 因此在生命科學(xué), 社會(huì)科學(xué)中也必須采用現(xiàn)代熱力學(xué).,如果有一個(gè)理想的燃料電池能把燃料的化學(xué)能100%(非耗散)地轉(zhuǎn)換成電能, 它的效率一定是最高的. 根本不需要也不可能追求 “可逆”, 不可能得到可逆燃料電池. 要把燃燒生成的CO2和H2O 完全恢復(fù)成原來(lái)的甲烷(CH4)和氧(O2)也是不可能的.,10,近代經(jīng)驗(yàn)事實(shí)二: 燃料電池,因?yàn)榧淄橛幸幌盗械挠袡C(jī)烷類(lèi)同系物, 不可能完全生成甲烷. 生命體中能量轉(zhuǎn)換效率往往很高, 也根本不需要“