《工程热力学》教学心得2022-29

2022-12-27草稿

2022-12-29定稿

王安良

按：5:00（12.27）起床，读文献^[2]。

继2022-28：https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2071524&do=blog&id=1368858；

昨天（12.26)，监考完最后一门课。今年的工作就到了扫尾阶段，批卷子、给成绩，写总结和计划。

本篇算是今年“教学心得”系列的收尾篇——END：讨论热力学绝对熵。

《工程热力学》^[1]

第12章：化学热力学基础

概述；

热力学第一定律在反应系统中的应用；

化学反应过程的热力学第一定律分析；

化学反应过程的热力学第二定律分析；

化学平衡；

热力学第三定律；

绝对熵及其应用^[1]p308-309。

教学心得

严格地讲，克劳修斯所定义的熵是微分熵，且已有了绝对温度的概念。科学史地讲，热力学意义下的绝对熵，与热力学第三定律有关联。不同学者，其定义的热力学绝对熵是有差别的^[1][3]。

其实，更根本的定义是微观熵和宏观熵，还有所谓的数学熵和物理熵。

零熵是普朗克定义的。

热力学零K则是热力学第三定律研究的根本问题。

近年来，我思考的科学问题之一是：

1 热力学熵能否独立于物质传递？

其广义问题是：

0 热力学熵需要介质输运或转换吗？

这俩问题均不易回答。

几无疑问，热力学熵乃至熵是物质一种属性，正如质量、体积、摩尔、电和磁一样。物质（或其内局部）之间相互作用，传递、传播、交换或转变着能量和信息，主要依赖两大类过程量——功和热。

功量可以细分为很多种，力功、电功和磁功，等等；而热量则显得很单一，实则不然，至少有引起温度变化的“热”和相态变化的“热”。大部分的功和热，都是针对物质而言的，哪怕是看不见摸不着的空气——也是物质，在热力学中还是一类重要的介质。现实中的物质，有质量、体积、摩、电和磁性，则也少不了熵性。

有个“东西”比较特殊——不能简单说是否为物质，那就是光，它无需媒介，可以在真空中传递和交换。其实，电场、磁场也可在真空中传递。电磁场很常见，而“独立”的电场和磁场，不多。与光相关的量子力学概念是，光子和波。

还有个更特殊的——万有引力，即引力波，它也能在真空中传递和传播，不需要任何介质，虽然物质的万有引力相互作用的相对值很小。

我们还知道，声音只能通过媒介进行传递、传播和交换。声音的在物质内部和之间的传递的主要是“功”，通常也附带有热耗散。通俗地说，声音最终以热的形式耗散到环境物质中了。

类比于光子，人们引入了声子，以表征微观的热传递。与光子显著不同之处是，声子是依附于物质的，即原子、分子等物质粒子，微观热运动的量子化。显然，声子是无质量的“虚”粒子，与之相对应的是热波，而非声波。

传热学，在古典“热质说”占统治地位时期，比热力学的理论还“完善”，包含了更多的数学。“热动说”推翻“热质说”之后，传热学和热力学“统一”为热学。自从有了量子力学，传热学和热力学既独立发展，又相互“纠缠”。关键点在于热力学熵。

至今，与其说是传热学，不如说有温度梯度下的热量传递，考虑相变，常用的词是“潜热”。显然，传热学≠传温学，传热学≠传熵学。

热力学熵依附于物质而存在的，熵流和熵产是热力学的概念。

只有重新认识热力学熵的物理属性，构建传熵学+传温学，即新传热学，才是回答狭义和广义“热力学熵传递”问题的唯一道路。

参考文献

[1] 朱明善，刘颖，林兆庄，彭晓峰编著，史琳，吴晓敏，段远源改编，工程热力学，清华大学出版社，2011

[2] J.-T. Hsiang, C. H. Chou, Y. Subası, and B. L. Hu, Quantum thermodynamics from the nonequilibrium dynamics of open systems: Energy, heat capacity, and the third law, Phys. Rev. E 97, 012135 (2018) - Published 23 January 2018

[3] 刘玉鑫编著，热学，北京大学出版社，2016