主题：【原创】【原创】简单说说热力学 -- Swell
家园 【原创】【原创】简单说说热力学 跑到别的帖子说了半天，想想还是自己写一个吧。科学的历史马马虎虎，争取把概念说明白吧。如果读了此文不再认为熵是道或者乱七八糟的话，我应该就算成功了。
热力学完全是从实践出来的。当年大家一门心思研究发动机，特别是永动机（热力学的两个定律分别就叫第一类，第二类永动机不可能定律）。方法五花八门。只有一个老实巴交的工程师卡诺，认认真真测量烧了多少热量，做了多少功。最后发现没办法把所有的热量全都转化成功。必须耗散出去一点。这个，也就基本是第二定律了。写出来之后，没人当回事，有人看了也认为是错的。直到开尔文那里又加工了一下才得到重视。
耗散出去的热量，和温度成正比，那这个比率就体现出了物体储存热量的能力（其实当时是热质说，当时的理解就是这个量就是对应的热质），就叫做熵。熵和温度，对应的就是体积和压力。体积和压力有多自然，熵和温度就有多自然。唯一的就是这个耗散是不可避免的，所以熵是只能增加的。到这里，完全是通过对实践观察总结出的规律。为什么这样，知道就不叫定律了。
这东西有用，但是到这里也没大用。这个定律说的是一个孤立的系统，不和别人发生力，热和物质交换的情况下的规律，大概就是在宇宙中孤零零的一个恒星什么样子。这实在没啥大用。更有用的是我在实验室做个实验，酒精灯烧到啥程度合适这种问题。这就是一系列的数学模型推导了。长话短说，就是要建立一个系统/环境的模型。你关心的那个东西叫系统，它之外的东西叫环境。你的实验设备叫系统，周围的空气叫环境。然后假设环境是足够大的，不受你的影响。根据系统和环境的边界条件，是恒温啊，恒压啊等等，把熵增加这个定律变成其衍生的最小自由能定律（一堆数学推导，挺唬人但是不难）。这可就有用了。有啥用呢？想想还是举个实际例子吧。特斯拉不是电动车出风头嘛，通用说我们也不能落后。电池组的一个工程师一天看一个文章：某某电池化学反应比现在用的电池储量可以增加一倍。领导听了就上头了，咱们把这玩意研究出来特斯拉还不等着吃灰啊。300迈变600迈，彻底解决充电焦虑。搞，一定要搞。但是电池充电要发热，发热要膨胀。这几个东西是耦合的。只有控制了膨胀，才能正常充电。所以就有一个外力需要多大的问题。拿热力学一算，原来的电池需要的力大概是一个成年人的体重，这个呢？三头大象。好嘛，汽车成装甲车了。哪有免费的午餐？那工程师就放弃了？当然没那么容易，咱们看看能不能找一找充电能力提高一半，但是受力也小一点的办法，这就是用热力学不断寻找平衡点，结果咋样吗？那我就不知道了。
而现在越来越多的问题变成多场耦合问题。没办法，尺寸越来越小，散热问题越来越突出。功能性材料，智能材料。热力学没搞明白是要闹大笑话的。我就看过一次。一个博士讲他的发现，旁边一个教授指出来他做的东西能量可以自发增加。几十页的东西，才几页就讲不下去了。
总之，这是一门关于能量的科学，广泛应用于各个领域。基本的定律或者假设是从实践中观察总结的，历经无数检验暂时还没有发现反例。熵有着明确的定义但是大家更多的是用其衍生的概念去解决实际问题。
这里我没有谈后来的统计力学，玻尔兹曼对热力学的发展，以及统计力学对熵这个概念的发展。这里就是对应很多混沌，混乱度的概念。一个原因是原有的理论是自洽的，这些东西没有也不影响前文的结论。另一方面，还是别绕了，我手机打字也不容易
通宝推：大神盘古,狂草舞茅,北纬42度,莫言2024,宏寺,strain2,海外俗人,唐家山,阴霾信仰,曾自洲,GWA,PCB,宝特勤,本嘉明,审度,自由呼吸F0,不远攸高,翼德,家园 5. 总结，补充，和更正 先是更正吧。我举的关于电池的例子，是和通用的一个工程师聊天得来的。他就笼统的说膨胀，我就理解成受热膨胀。可能未必是受热，更有可能是充电膨胀。确实也是一个非常标准的热力学问题，但是举的例子大概率是错了。又不好去找人家问一下。就放到那里吧。好在也就是侃大山。
回头看看，虽然想着科普，不知不觉又绕到我自己熟悉的地方去了。写的东西都是我一开始不明白后来下了点功夫的地方（否则也不能印象深），但是这就对整个学科缺乏全面的介绍。水平本来也不够，倒不是太遗憾。
回想起来，很多的课程当年学的时候很难，头疼的不行，后来回头一看，也没什么啊。热力学真是完全反过来，学的时候觉得没什么啊，公式也不多数学也不难，但是真的是一用就不会，反反复复的回头看。现在也不知道算不算会了。我感觉就是很多的教材包括老师，已经基本把这门科学当真理来教了。对于假设，工程实践的观察那些直接一带而过。所以造成了知其然不知其所以然。我对各种科学教材一项是推荐越新越好，但是热力学吗，还真的是吉布斯的经典教材，比较好的平衡了工程实践，物理模型，和数学推导。我认识的一个老院士他的那本书都看的飞边了。网上有，免费。
这篇帖子起源于和几个河友的争议。觉得一些混淆的地方其实是很常见，很普遍的。其实我也曾经更严肃的讨论过这个问题，一个搞经济的教授曾认真的约我谈：热力学的基础是什么，假设是什么，观测在哪里。怎么可以把这些概念延伸到社会科学。所以觉得这些讨论也是有意义的，就写了一些东西在这里。
通宝推：大爆炸,阴霾信仰,北纬42度,家园 看到标题我就想送花，这才是西西河该讨论的 热力学和发光学，这是让我高山仰止的学科。
有多高？
比微积分还高。。。
。
送花！
家园 虽然看得云里雾里，但还是赞 家园 电势电容 比重比热 熵焓氢键
家园 中文有几个设计得很会意很工程的字 焓、㶲、(火无)
家园 你这个电池的例子槽点不少啊 但是电池充电要发热，发热要膨胀。
单纯发热很好解决，散热就可以。 十多年前给日本某车厂做过燃料电池的散热回路优化，当时已经进化了几代了，那还是实验室产品。
拿热力学一算，原来的电池需要的力大概是一个成年人的体重，这个呢？三头大象。
不知道热力学怎么算这个? 算高温膨胀之后的压强？ 不管怎么样，这东西必然用压强而不是重量来计量。成年大象体重算五吨，三只总共15吨。 假设电池包面积一平方米，那么压强大约相当于1.5个大气压，工程上这点压力非常容易处理。退一步说，电池包面积大约10厘米×10厘米，那么相当于150个大气压，比较高但是也没什么大不了。
一个博士讲他的发现，旁边一个教授指出来他做的东西能量可以自发增加。
这个博士太水了。完全不知道怎么做研究。
家园 就是没有说细 -- 有补充 的确如你所说。之所以这样是为了给领导讲吧。压强要是你听不懂呢？大象总能听懂吧。这个例子就是那个工程师给我讲的。写的时候想了半天，觉得这个例子形象。
作者 对本帖的 补充(1)家园 还有可能说错了 -- 补充帖 我又想了想可能你说的是对的。热可以导出去。我没搞过电池，和那个工程师开会时候听他饭桌上说的。虽然联系方式我有，但也不好意思打个电话去问。
我认为其实他想说的是osmotic pressure，不知怎么翻译。由于胶体带电之后产生的压力。带电越多，压力越大，躲无可躲。要是原文能改，就去换一个例子了。
见前补充 4763764
家园 4. 如何看待熵这个概念被用在别的领域 上文写了好多热力学，但很多的讨论说：你说的没问题，我说的是其他的领域的定义。这其实不是一个小问题，我想说说我的看法。
首先，这绝对正当和正常。人们搞研究就是不断的用已知去挑战未知。我学了点物理知识，你让我去搞经济。那我自然而然的就想着物理学的模型能不能拿啦用啊？对错啥的，用了才知道啊。万一对了，我就是经济学的牛顿。万一错了，倒霉的是老板，咱们换个地方接着打工。
用的时候，我发明一个词叫做：经济熵。没问题啊，用着用着大家都说好，最后原来熵的定义没人知道，我这个经济熵的概念大行其道，也是很常见的事情。
但是，重点在这里了。一旦你引入了一个新的概念，新的定义。你就相当于脱离原来的体系了。换句话说，热力学成功与否与你无关。你这个新的体系成功与否也与热力学无关。你俩连表兄第都不算，最多算名字有点像的路人。
换句话说，你要问我熵是不是只有一个定义。是，只有一个。你可以定义信息熵，经济熵。这里要把这几个字放到一起，而不是信息的熵，和经济的熵，这是不对的。你没办法重新定义熵，别人在你之前已经用了。你可以更改，比如你发现他的理解是错的，就比如热质，以太。这些概念可以说就不存在了；也可以更新，热量的单位卡路里和功的单位焦尔最后证明是一回事。但是你不能把热力学的熵放到信息学讨论：比如熵这个概念在热力学里很成功，但是信息学不行。这话就错了。正确说法是信息熵这个概念有可能是错的，信息熵和热力学里的熵没有关系。
你也可以说我要创造一个更大更广的领域，把几个已知的领域都包括进去。在我这个领域里，这几个xx熵的定义是统一的。类似的工作就是我要统一几大力场。爱因斯坦晚年做的。可以啊，但是你要先成功了，咱们再谈吧。做了不等于别人就的接受，这不天天都有人说自己解决了这些问题，诺贝尔奖要不就不够发了
科学的体系里，定义就是身份证。名字随便。我可以改名字叫马云，但是我不能去拿他的钱，他犯法了也不能来抓我
通宝推：北纬42度,宏寺,大爆炸,家园 名不正则言不顺 其实很多领域，比如社会学，经济学，心理学，大量矛盾本身就是定义不清造成的。同一个名次，你的定义和我的定义不同，说起来不对付几乎是必然结果。问题是现在缺乏一个像经典物理学时代的统一定义。比如你举的经济熵可能有一百个经济学家，一百个定义，没有一个联合国定义委员会出来说谁是对的谁是错的，然后要求全部的有ISSN号的学术期刊进行审查，不合规的文章不许发布。