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從王竹溪先生的熱力學體系放眼向外 精選

已有 4543 次閱讀 2019-6-16 08:22 |個人分類:大學教育|系統分類:教學心得| 熱力學, 王竹溪, 物理

教學如果僅僅就一本教科書照本宣科的話,就是非常簡單的體力活。而這個體力活其實不需要教師。學生自己就可以完成,而且又快又好!

物理學中的任何一個基本概念,如果參考國際上不同的名家的理解,很可能100個人有150種理解。如果自己理不出個頭緒來,還不如照本宣科來得省事!如果自己真想理出一個頭緒來,也許花去了10SCI論文的時間,要么一無所獲要么所獲甚微。因此,只有科研壓力不太重、或者生存壓力不大的教師,才能勝任教學。

一,“王竹溪熱力學教學學派”

現在國內的《熱力學》教材,幾乎都發軔于王竹溪先生1955年的《熱力學》(高等教育出版社)。最后一章“熱力學方法論”專門論述了“三個基本熱力學函數”的重要性。

王竹溪 1955.jpg

因此,“三個基本熱力學函數”在我國的教學傳統中,具有非常優越的位置。我把王先生的這個做法稱之為“王竹溪熱力學教學學派”。我注意到,在當今歐美大學任何《熱力學》教材中,都沒有“三個基本熱力學函數”的說法。

一,“三個基本熱力學函數”最原始的出處可能是前蘇聯的《熱力學》教材

很難查找原始的出處。但是前蘇聯物理學家,薩莫洛維奇的《熱力學與統計物理學》(高等教育出版社, 1958),有明確的說法(p.62)

薩莫洛維奇.jpg

很可能,薩莫洛維奇的這一說法,是當時中國《熱力學》教學界的共識。那么,薩莫洛維奇的思想在后來是否有所發展或者有人不太同意呢?有!前蘇聯物理學家巴扎洛夫的《熱力學》(1961年第一版,第三版于1988年翻譯成中文由高等教育出版者出版),他的看法如下(p.22-23)

bazarov 計溫物態方程1.jpg

 bazarov 計溫物態方程2.jpg

在巴扎洛夫看來,如果已知了物態方程和內能,熵可以推導出來。如果研讀王竹溪先生的《熱力學》,會發現,他也有類似的說法,也就是熵不是一個獨立的熱力學函數。

很可能,從平衡態熱力學的角度看,熵并不是一個那么重要的物理量,而是提供一個研究熱現象的一個表象。當然,平衡態熱力學,往往同時需要多個表象。而在非平衡態中,熵才是一個核心的概念。

三,Callen- Reichl系列《熱力學》教學理念

美國《熱力學》的教學中的一個傳統,基本繼承了Callen的對熱力學的理解。他們的思想脈絡如下:物態方程屬于需要實驗才能決定的量,不是典型的熱力學理論的部分。應該把依賴實驗決定的關系歸為一類,這類關系中主要包含響應函數和物態方程,然后才是熱力學的理論部分,這里需要引入內能和熵,還有其它的一些熱力學勢。

注意到,相變平衡條件有三類:熱平衡,力學平衡和化學平衡。在Reichl的《統計物理現代教材》(第二版,John Wiley & Sons,1998),把響應函數分為三類:熱響應函數即熱容量,力學響應函數即膨脹率、磁化率等等,化學響應函數即化學勢對粒子數的偏導數。

reichl responses.jpg

然后,物態方程也分為三種

reichl mechanical EOS.jpg

這種做法更加符合我對整個物理學理論結構的理解。我認為,和實驗結果的比較,不是物理理論最核心的部分,參照下圖:

liu.jpg

四,如何看待王竹溪先生熱力學體系

是一個教學的方便法,或者說工作規則,而不是一個嚴密的邏輯系統,60多年的教學實踐表明,這個方便法也是有效法。

熱力學有沒有象狹義相對論那樣嚴密的邏輯系統,答案是:沒有!而且沒有必要,很可能!

熱力學很像一個完善的但是復雜的操作手冊。

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微信評論精選

1,何祚庥先生評論

你評論說王竹溪先生熱力學是來自薩莫洛維奇,這完全不是事實。王先生書成熟于1948年。那時根本沒有任何蘇聯書藉可看到!王先生書明顯受到喀喇氏(Caratheodory)體系影響,即數理學派的影響。何祚庥 

2,錢纮先生評論(錢纮:華盛頓大學數學系教授,北京大學錢敏先生哲嗣)

本人覺得所有存在的教課書都有些過時。熱力學不能公理化的主要原因是我們對什么是熵,什么是熱力學勢的理解尚為原始。其統計根源和作為極限定理仍然不完整。物理學對概率論這問數學需要更多的理解和運用。這里毛遂自薦兩篇論文:https://arxiv.org/abs/1601.03159 https://arxiv.org/abs/1902.09536   請各位指教。



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