擴展卡諾定理非耗散

1、現(xiàn)代熱力學---基于擴展卡諾定理,(中英文版同名新書的簡介) 王季陶 (復旦大學, 微電子學系; jtwang@fudan.ac.cn)[2009年高校 “熱力學與統(tǒng)計物理”研討會8月17日, 廈門]1989年至今作者著有6本原創(chuàng)性專著, 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 -- 擴展卡諾定理: “非耗散”(而不是 “可逆”)能量轉換是效率最高的充分必要條件.,1

2、,卡諾定理 (可逆熱機的效率最高), 只適用于卡諾循環(huán)等循環(huán)過程, 而擴展卡諾定理適用于任何宏觀過程 (包括卡諾循環(huán)等循環(huán)過程).,現(xiàn)代熱力學---基于擴展卡諾定理,(中英文版同名新書的簡介) 王季陶 (復旦大學, 微電子學系; jtwang@fudan.ac.cn)[2009年高校 “熱力學與統(tǒng)計物理”研討會8月17日, 廈門]1989年至今作者著有6本原創(chuàng)性專著, 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 -- 擴展卡諾定理: “非耗散”(而不是 “可逆”)能量轉換是效率最高的充分必要條件.,2,卡諾定理 (可逆熱機的效率最高), 只適用于卡諾循環(huán)等循環(huán)過程, 而擴展卡諾定理適用于任何宏觀過程 (包括卡諾循環(huán)等循環(huán)過程).,現(xiàn)代熱力學---基于擴展卡諾定理,(中英文版同名新書的簡介) 王季陶 (復旦大學, 微電子學系; jtwang@fudan.ac.cn)[2009年高校 “熱力學與統(tǒng)計物理

4、”研討會8月17日, 廈門]1989年至今作者著有6本原創(chuàng)性專著, 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 -- 擴展卡諾定理: “非耗散”(而不是 “可逆”)能量轉換是效率最高的充分必要條件.,3,卡諾定理 (可逆熱機的效率最高), 只適用于卡諾循環(huán)等循環(huán)過程, 而擴展卡諾定理適用于任何宏觀過程 (包括卡諾循環(huán)等循環(huán)過程).,四本已出版的現(xiàn)代熱力學系列原創(chuàng)性專著,4,1

5、998:熱力學耦合模型.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. 2005:完整的熱力學學科體系.,一. 熱力學領域中的長期困惑,5,一位資深的美國教授特魯斯戴爾(C. Truesdell, 1919-2000)曾經(jīng)說過: “每個物理學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)驗是沒有兩個物理學家的認識是一致的. (Every physicist knows exactly

6、 what the first and second laws mean, but it is my experience that no two physicists agree on them.)”,如果他的意見或感覺是正確的, 也就意味著熱力學第二定律在20世紀并沒有被真正認識清楚. 事實也證明確實如此.,卡諾定理認為: 可逆熱機的效率最高. 卡諾定理是 “熱力學的奠基石”, “第二定律的起步點”, 卡諾定理和第二定律是19世紀初

7、 “人類經(jīng)驗的總結”, “有著牢固的實驗基礎”, “不可能從其他更基礎的定理中推導出來”. 但是熱力學第二定律的本質是 “時間的箭頭(arrow of time)”[A. Eddington]. 這和卡諾定理強調 “可逆性”的矛盾過去長期沒有得到解脫.,6,二. 困惑的根源 --- 卡諾定理(2008),作者可能是180多年來第一個在近年提出: 困惑的根源就是卡諾定理. 卡諾仍然是熱力學的奠基人之一, 功不可沒, 同時科學是發(fā)展的.,卡

8、諾定理認為: 可逆熱機的效率最高. 卡諾定理是 “熱力學的奠基石”, “第二定律的起步點”, 卡諾定理和第二定律是19世紀初 “人類經(jīng)驗的總結”, “有著牢固的實驗基礎”, “不可能從其他更基礎的定理中推導出來”. 但是熱力學第二定律的本質是 “時間的箭頭(arrow of time)”[A. Eddington]. 這和卡諾定理強調 “可逆性”的矛盾過去長期沒有得到解脫.,7,二. 困惑的根源 --- 卡諾定理(2008),作者可能是

9、180多年來第一個在近年提出: 困惑的根源就是卡諾定理. 卡諾仍然是熱力學的奠基人之一, 功不可沒, 同時科學是發(fā)展的.,擴展卡諾定理認為: 非耗散能量轉換的效率最高. 可逆不是能量轉換效率最高的必要條件, 而非耗散才是能量轉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)過程. 擴展卡諾定理是普適的, 也包含了卡諾定理, 但不能反過來說. 卡諾定理是擴展卡諾定理的一個特例.,8,三. 擴展卡諾定理(2005),擴展卡諾定理是

10、熱力學的擴展奠基石, 第二定律發(fā)展的新起點, 也是當前21世紀人類大量日常宏觀經(jīng)驗的總結.,如果有一個理想的非耗散太陽能電池把太陽能100%地非耗散轉換成電能, 它的效率一定是最高的. 不可能再高到100.1%, 因為不能違背熱力學基本定律. 不需要追求 “可逆”的太陽能電池, 因為要把電能重新轉換成太陽光讓太陽重新收回是永遠不可能的.,9,近代經(jīng)驗事實一: 光電轉換,生命現(xiàn)象也是永遠不可能 “可逆”, 即生命是不可能 “返老回童”的.

11、 因此在生命科學, 社會科學中也必須采用現(xiàn)代熱力學.,如果有一個理想的燃料電池能把燃料的化學能100%(非耗散)地轉換成電能, 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 完全恢復成原來的甲烷(CH4)和氧(O2)也是不可能的.,10,近代經(jīng)驗事實二: 燃料電池,因為甲烷有一系列的有機烷類同系物, 不可能完全生成甲烷. 生命體中能量轉換效率往往很高, 也根本不需要“