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温熵共轭中的对称美

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发表于 2023-9-20 21:18 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
温熵共轭中的对称美

返朴 2023-09-20 17:01
The following article is from 中国物理学会期刊网 Author 刘全慧


本文希望从物理而非历史发展的角度,用极简的逻辑梳理绝对温度和熵的一些基本关系,强调温熵共轭的深刻性、基本性和对称美。

撰文 | 刘全慧(湖南大学物理与微电子科学学院 理论物理研究所)
来源 | 选自《物理》2023年第8期




01
“绝对温度和熵是同时定义的”

2004年12月初,中国物理学会教学委员会在清华大学物理系召开了一次扩大会议。当时,杨振宁先生在清华大学讲授大学物理课程,讲到了热力学第二定律,使用的教材是D. Halliday,R. Resnick,J. Walker所著Fundamentals of Physics 第六版。会议不但组织与会者旁听杨先生的授课,还邀请先生作了一场教学研究报告。
在报告中,杨先生对所用教材进行了若干点评。他说:“热力学第二定律是物理学历史上的一件大事情,其中的逻辑,比如说绝对温度的定义和熵的定义,是19世纪物理学家经过了几十年才弄清楚了的。可是Halliday和Resnick的书中没有与此有关的内容,absolute temperature这几个字好像就是一笔带过了,我想这是一个很大的错误。这对于一个随随便便的学生来讲无所谓,可是我想对于清华的学生来讲是不好的”[1]。我当时就在现场,听到杨先生的这段话,如雷贯耳。我立即领悟到卡拉氏(Carathéodory)引入熵函数时的意义:用同一个微分方程同时定义了两个量,即绝对温度和熵。因此,这一感悟和杨先生的评论之间产生了强烈共鸣,共鸣的一个理性结果是内化。在我的记忆里成为一个命题,一个断言,一个警句:“绝对温度和熵是同时定义的”。然后,我把这句话当成了杨先生的话发表到了《物理与工程》上[2],并多次宣扬这一“杨先生的观点”[3]
聆听杨先生的这场报告已是近20年前的事了,最近才和杨先生报告的原始录像进行比照,发现杨先生没有说过“绝对温度和熵是同时定义的”,也没有说过类似的话。这句话是我个人对杨先生观点的认识和感悟。此后每次读到热力学相关部分时,都会想到这一“杨先生的观点”。绝对温度和熵引入到热力学的同时性,使得熵具有某种性质,绝对温度也有对应的性质;反之亦然。
在热力学的内能表象中,绝对温度和熵共轭,简称温熵共轭。但是,这个表述看似没有实质内容。也许正是这种表述的“空洞性”,导致了Halliday和Resnick的重熵轻温(也许一些老师和学生也持有类似观点)。更何况,热力学还有个熵表象,在这个表象中,能量和温度的倒数共轭,如果温熵共轭,也应该有温能共轭。
本文希望从物理而非历史发展的角度,用极简的逻辑梳理绝对温度和熵的一些基本关系,强调温熵共轭的深刻性、基本性和对称美。本文的主要内容将局限于单元系的热力学,所有符号都取其通常的含义,不一一标注。

02
定义绝对温度和熵的物理和数学

在热力学中引入绝对温度和熵,可以通过物理和数学这两个不同的途径来实现。
首先看物理过程。根据热力学第二定律,可以证明卡诺定理。该定理指出,所有工作在两个给定温度热源之间的可逆热机的效率都相等。这个循环可称为卡诺循环,热机称为卡诺热机。注意,这里的卡诺循环不同于理想气体的卡诺循环。
由于卡诺热机的效率和工作介质的具体性质无关,只能依赖所有工作介质的普适性质或者某种绝对性质。这个绝对性质就是绝对温度T,也称之为绝对温标。可逆热机的效率为

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