下面是赵凯华教授和罗蔚茵教授为一本教材写的序的一部分。它涉及了对熵的一些认识。我们把它录在本网页中。

 

 

按照科学发展的进程和需求,强化熵的教学

赵凯华、罗蔚茵

  

热力学第一定律和热力学第二定律从来就是热学中最基本的两条定律,前者是能量的规律,后者是熵的法则。“能”和“熵”两个概念哪个更为重要? 随着时间的推移,情况正在变化。传统的看法以为“能”是宇宙的女主人,“熵”是她的影子。后来有人提出不同的看法:“在自然过程的庞大工厂里,熵原理起着经理的作用,因为它规定整个企业的经营方式和方法,而能原理仅仅充当簿记,平衡贷方和借方。”(1938 R.Emden语)。

热力学定律和达尔文的进化论同属19世纪科学上最伟大的发现,然而表面上看起来二者似乎相互抵触。本世纪40年代薛定谔提出了生命“赖负熵为生”的名言,60年代普里高津(l.Prigogine)建立了耗散结构理论,热力学第二定律与进化论的矛盾被澄清了。从物理学走向生命科学,越发显示出“熵”这个概念的重要性。

1948年电气工程师香农( C.E.Shannon)创立了信息论,将信息量与负熵联系起来。历史上以热机发展为主导的第一次工业革命是能量的革命,当前以信息技术为主导的第二次工业革命可以说是熵的革命。现在“熵”这个名词已超出自然科学和工程技术的领域,进入人文科学。

近年来国际上一些物理教育改革家企图把物理学归结为少数几个基本概念,尽管各家之言见仁见智,但无例外地都把“熵”(或其等价的说法,如能的退降)列为一条。但在传统的普通教材中“熵”介绍得很简略,有些为非物理专业开设的课程中“熵”已被删除。这是违反科技进步发展的时代潮流的。在本书中我们从微观(玻耳兹曼熵)到宏观(克劳修斯熵),从历史到前沿,从物理学到化学、环境与生命科学,多方面地介绍了“熵”的概念。特别是我们认为,只有通过应用才能加深对一个概念的理解。

热力学第二定律的正宗应用是讨论热平衡的条件和判据。因为最常见的系统不是孤立系,而是在一定外部约束条件下(如定温、定体或定压)的热力学系统,我们还需把“熵”的概念延伸到“自由能”的概念才好应用。讲熵而不讲自由能,实属功亏一篑。引入“自由能”并运用到热平衡问题上,可使学生反过来加深对“熵”概念的理解,在这一点上本书的两位作者各自都曾有过一些教学实践。有所取就要有所舍。过去在普物的热学课(特别是习题课)中常常热衷于讨论热机或一般循环的效率问题。近年来国内外物理教育界有识之士都认识到,循环效率问题不过是引入熵定理的一根拐杖,它本身早巳不该是物理课程的重点。最好能想办法绕过它,至少需要淡化它。本书的初稿中已不对各式各样循环的效率作过多的讨论,在定稿的前夕,笔者有幸看到清华大学李复教授绕过卡诺定理导出克劳修斯不等式的讲法,我们认为这是一个重要的突破,欣然在本书中采纳了他的讲法。