熵，热质的再现——对热力学历史的回顾

《熵，热质的再现——对热力学历史的回顾》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、∗熵，热质的再现——对热力学历史的回顾G．Falk著，陈敏华译摘要：与我们通常的看法相反，由克劳修斯引入物理学的熵不是一个新的物理量，而是对比当时早一百年由苏格兰化学家布莱克提出的“热量”(quantityofheat)这个量的改造。卡诺在作为热力学基础的著作中，以“热质”（calorique）这一名称也运用过这个物理量。熵和布莱克的“热量”仅仅是一个物理量的两个不同名称而已。这一认识不仅在历史上具有重要性，而且在热力学教学中也具有重大意义。它表明，熵可以被想象为一种遵守“半守恒定律”的实物：它可以

2、产生，但不会消灭。一、引言熵被认为是物理学中最重要的但也是最抽象、最不能被想象的物理量之一。更仔细的考察表明，这种观点是历史原因造成的。熵本来就不难被想象。想象熵并不比想象能量难，在某些方面甚至更容易。熵的一个简单的图象是与“热”（heat）这一字紧紧地联系在一起的。用通常的话来说，“热”可以被描述为存在于一个物体中，并可以流入或流出。这可以用这样一些句子来表达：“房屋的墙壁阻止热的散失”或“热源是储存热的装置”。在这些话中，热被描述为一种实物，这种实物曾被叫作“热质”（caloric），它是局域的

3、（localised），并且能流动。然而，对物理学家来说，热不是一种实物，而是一种“能量形式”。从数学的角度来看，这意味着热是用一个“不完全微分”来表示的。这表明，能量可以以热的形式从系统流出或流入，但把能量想象为以热的形式储存在系统中是错的。当热进入一个系统后，它就不成为热，而变成了能。它跟以其他能量形式传入系统的能没有什么区别（Falketal1983）。能量形式的概念是由能量守恒定律的发现者设想出来的。结果是，很难把它统一到最初由克劳修斯（RudolfClausius）得出的热力学的数学公式中

4、去。尽管热失去了作为一种实物的简单性质，但它具有的这一性质仍然保留在日常话语中。然而，有一个描述热现象的物理量能表征所有与日常话语中的“热”有关的∗GFalk,Entropy,aresurrectionofcaloric—alookatthehistoryofthermodynamics,Eur.J.Phys.6(1985)108-1151所有性质。这个物理量就是熵。事实上，克劳修斯的熵恰恰就是曾作为错误的概念而被抛弃的古老概念：热质。这很难被认识到，原因是由于这个概念是在抽象这张面具的掩饰下回到物

5、理量的花名册中去的，从而看上去有点象新的样子。从这个观点来看，熵是甚至比能量更古老的概念，因而应该是不难被掌握的。对热的理论的历史回顾可以证明这一点。二、热量和热强度人们对热现象的概念性理解不同于对运动的概念性理解。一方面，热学理论比力学理论发展得缓慢；另一方面，化学家、医生和工程师对构建热学理论的基本概念的贡献要比具有数学倾向的物理学家或数学家大得多。历史上，在对热现象的概念的澄清方面有过杰出贡献的第一位人物是苏格兰化学家和医生布莱克（JosephBlack1728-99）。布莱克认识到（Joha

6、nnHeinrichLambert（1728-77）也认识到），对热的理解需要两个不同而独立的概念，即热量（quantityofheat）和热强度（intensityofheat）。以下对上述第一个概念的解释可在他的《化学元素讲义》（LecturesontheElementsofChemistry）一书（此书在布莱克去世后四年由他的学生罗比森编辑而成）中找到：“如果，譬如在一个容器中有一磅水，在另一个容器中有两磅水，并且这两个容器中的水一样热（这可由温度计来测量），那么很显然，两磅水必定比一磅水包含

7、多一倍的热量”（Black1803）。这一解释是不含糊的，是清楚的。布莱克所说的热量是包含在物体中并能流入或流出物体的量；简单地说，它是一个描述实物型（substance-like）性质的广延量。上述第二个概念，即热强度，在布莱克以前就已经作为温度被人们所认识。根据布莱克的说法，它描述的是一种“张力”（tension）或“压力”（pressure）。包含在物体中的热受这种“张力”或“压力”的支配。因此，它表示热要离开所包含的物体的总趋势。如果两个物体发生接触（今天我们叫做“热接触”），那么，热就要从

8、热强度（温度）高的物体流向热强度低的物体。当两个物体的热强度相等时，也就是当它们的温度相等时，这种流就停止了。布莱克把这种状态叫做两个物体间的热平衡状态。根据布莱克的上述观点，必定存在下列物理量。对这些物理量，今天我们已经用一种大家熟悉的符号来表示了。2S=热量，以下简称为热。S被包含在物体中，或更一般地说，被包含在物理系统中，并可以被想象为一种可局域分布的“实物”。IS=热流或S流。当IS从物体流出时，其值为正。T=温度。它测量支配物理系统中的S的“张力”。下面两个