【锁志刚】免费热力学书Basic algorithm of thermodynamics

原版内容发布在 https://imechanica.org/node/23839#comment-form 。 以下内容采用google 自动翻译,个人简单check下。 原版书采用google doc 发布,同时附带pdf版本pdf下载链接。本地下载

我刚刚教了一个关于热力学的本科课程,并将我的演讲写成一本书。这本书作为Google文档发布。如果您无法访问Google文档,则这是该书的PDF文件。以下各段描述了我的方法。我希望听到您的热力学经验。请在下方留下你的意见。请转发此帖子,以帮助我收到更多人的来信。谢谢。

所有人的热力学

就像英语,物理学,化学和微积分一样,热力学应该是每个人都会的工具。热力学的逻辑主要用英语表达,并带有一些物理,化学和微积分。我会谨慎使用英语,甚至会更加谨慎地使用物理,化学和微积分。

英语是一种很棒的语言,但并不是为热力学而发明的。我将主要使用名词和动词,并且主要避免形容词。除了文字,我还将使用图片,视频和方程式。一张图片胜过千言万语。视频价值一千张照片。一个方程式值得一千个视频。例如,等式f = ma已经生成了无数的单词,图片和视频。

物理,化学和微积分的事实很容易陈述,但是应用它们需要实践。您将在日常生活中体验热力学,并且将在实验室进行实验。

一个女孩遇见一个男孩。他们相爱了。他们从此过着幸福的生活。我们听过多少次这个故事了?但是我们一直在说。每一次讲述都像荷马或莎士比亚一样新鲜。这是一个很棒的故事,变化无穷,对许多其他故事来说都是基础。这是一个终生难忘的故事。

热力学也是如此。这场比赛结束后,无论谁讲,您都将认识到热力学的故事。啊哈,你会说,这是热力学的又一幕!有一天,您将讲述自己的热力学故事。只要您与大自然保持联系,就无法避免讲故事。热力学是自然界的基础。

历史

这本书没有讲授热力学的历史。通过追踪卡诺,克劳修斯,玻尔兹曼和吉布斯的步骤(和缺失的部分)来教授热力学是不切实际的,就像通过追踪牛顿和莱布尼兹的步骤来教授微积分是不切实际的。一个主题及其历史是不同的东西。将它们混合在入门书中对两者均不公平。

这就是说,热力学的历史是有趣的,有启发性的,并且有据可查,充满了胜利与绝望的戏剧。自然是没有科学的。是人类创造科学来理解自然。学习科学就是学习自然和人类。我们庆祝过去的创作者,并培养未来的创作者。我们建立集体记忆,以帮助人类生存,繁荣和幸福。

创作者的遗漏使热力学留下了疤痕,其中有些至今仍未愈合。如果我们学习一些历史,可能会加快治疗的速度。

我将在这本书中添加一些名称和年份作为地标。您可以从Wikipedia条目开始在线阅读热力学历史。

但是历史学家并没有创造历史。您不妨去研究原创作品,其中很多可以在线获得英文版本。即使是对创作者的粗略阅读,也可以增强您对戏剧的欣赏。在路灯污染天空之前,星星闪耀。

忽略法律

一个普通的人知道自然的许多事实。能量从炎热的地方转移到寒冷的地方。摩擦会使事情变暖。冰在手中融化。墨水分散。香水的气味。科学家知道何时节约能源,何时节约能源。

但是,即使是许多伟大的科学家也对热力学定律感到不舒服。相信我们自己的眼睛:皇帝不穿衣服。通过第二定律感到熵就像盲人感觉到大象一样。今天教熵而不让学生知道熵是奇怪的。

我不会围绕零定律,第一定律和第二定律构造这种热力学过程。通常认为这些定律定义了三个热力学性质:温度,内部能量和熵。该说法是错误的。我会顺便提及他们,所以您会看到他们如何误导

没有人遵循这些定律来实践热力学。他们是无菌的。他们歪曲自然。它们属于历史,而不属于当前的实践。这种情况让人联想到中医。在自然的事实被揭露之前,医学是有效的,但是医学理论是错误的。

我将专注于指导热力学(BAT)的基本算法,该算法指导计算和实验,以自吉布斯(Gibbs,1873)时代开始实践热力学的方式进行。您将学习在所有热力学上运行BAT。

假设与事实

由于另一个原因,我不重视热力学定律。欧几里得几何学一定给热力学创造者留下了深刻的印象。在欧几里得几何中,一些事实被标记为假设(即定律),得出所有其他事实。

从未以这种方式实践热力学。一些事实在设置最佳可行技术中确实起特殊作用,但不足以得出大多数其他事实。例如,我们将使用BAT来发展温度理论和融化理论,但是这些理论不能预测这一事实:冰在零摄氏度融化。

欧几里得几何学是热力学的错误模型,甚至对于几何学的实际使用也是错误的模型。在热力学中,许多事实都是重要的,不能从其他事实中得出。您将必须单独学习众多事实。

观看有关数学与物理学之间关系的费曼讲座。关于希腊和巴比伦数学传统的讨论始于23:30。

大数据

我们是分子的时代和数据的时代。分子产生大的热力学数据。 BAT指导我们衡量,管理和使用大数据。

热力学数据以多种方式测量,包括测温,量热法,热化学和电化学。

蒸汽表列出了处于各种状态的单个分子H2O的温度,压力,体积,能量,焓和熵。对于许多其他纯净物质(尤其是制冷剂)也存在类似的表格。

对于每种分子,理想的气体表将焓和熵列为温度的函数。这些表用于分析任意数量的理想气体的混合和反应。

混合了多种分子的固体和液体会产生大量数据。收集这些数据仍然是一项未完成的业务,并且已成为“物质基因组计划”的一部分。

逻辑,直觉和应用是热力学的不同方面

打开物理学,化学,生物学,环境科学,材料科学或食品科学的文章,您会看到有关热力学的大部分内容。熵影响所有自然现象。普遍存在是因为熵是自然的普遍力量。

但是,普遍性也使熵难以学习。例如,要将熵应用于引擎,您需要了解熵和引擎。在19世纪,这种历史发展难以创造热力学,而如今在学习热力学方面则更加困难。如今的学生很少对引擎有第一手的了解,而且很多人从不关心引擎。我放弃了历史发展,不使用引擎的操作来发展熵的逻辑。

本书将从第一性原理发展熵的逻辑,从日常经验中发展熵的直觉,并在许多领域应用熵。

我将在单独的部分中保留逻辑,直觉和应用程序。可以向所有人传授相同的逻辑和直觉,但是应用程序将是特定于领域的。这种情况类似于学习微积分。每个人都可以学习相同的差异化和集成规则,但是对于工程师和经济学家来说,不同的应用示例将是有效的。

逻辑和直觉到位后,引擎将作为应用示例。您可以选择是否学习。本书包含许多其他应用示例,并且在我有空的时候会拥有更多示例,因此该书将帮助读者掌握任何领域的热力学。如果我们受到纪律约束,那么多学科研究是有效的。

直觉

为了发展直觉,我们将看一些熟悉的现象:

理想气体

理想的气体混合物。湿度,露水,霜冻

阶段改变。冰,水,蒸汽

墨水分散

耗能

能量下降

这些现象将使您想起经验事实,即您已经知道的事情。查看这些现象将使您为逻辑和应用做好准备,而不应使经验事实使您不知所措。

应用

热力学使普通的想法异常有效。应用范围非常广泛,比自然本身还丰富,包括自然现象和人类发明。任何一本标准教科书都会有很多例子。这本书将描述一些内容:

纯净物

不可压缩的纯净物质

理想气体

理想的混合气体

范德华模型

渗透作用

稳流设备(例如涡轮机,压缩机,节气门,热交换器,喷嘴和扩散器)

周期数

发电厂

电冰箱

内燃发动机

加热,通风和空调

汁液的上升

化学反应

燃料电池

历史上,所有这些应用,特别是发动机,都为热力学的发展做出了贡献。但是,所有应用程序都是热力学逻辑附带的。您无需学习引擎就可以掌握热力学,但是您确实需要完成一些应用程序。

在微积分中情况类似。历史上对行星轨道的计算有助于微积分的发展,但与微积分的逻辑有关。您无需学习行星的轨道就可以掌握微积分,但是您确实需要完成一些应用程序。

逻辑

热力学的逻辑与概率的逻辑相似。我们将需要一些概率的基本概念,但是关于概率的课程并不是学习热力学的先决条件。热力学的逻辑需要六个想法:隔离的系统,样品空间,特性,状态,过程和平衡。

孤立的系统是世界的一部分,不与世界其他地方进行交互。

一个孤立的系统迅速且不断地翻转为一组量子态。用概率的语言来说,孤立系统是一个实验,每个量子态是一个样本点,孤立系统所有量子态的集合是样本空间。

内部变量x是将样本空间映射到集合X的函数,例如一组能量值,体积值,H2O分子数和电子数。内部变量的概率称为随机变量,在热力学中称为(热力学)属性。

当内部变量固定为集合X中的值x时,隔离的系统会在样本空间子集中的量子状态之间翻转。该子集中的量子态数量是内部变量Ω(x)的函数。样本空间的一个子集被称为概率事件,在热力学中被称为(热力学)状态。

隔离系统的过程对应于内部变量的值序列。

在长时间隔离系统之后,以及允许内部变量长时间更改之后,系统以相等的概率翻转到样本空间中的每个量子状态。据说隔离的系统已经达到(热力学)平衡。

热力学的基本算法(BAT)

该逻辑导致热力学的基本算法(BAT):

用内部变量x构造一个隔离的系统。

根据内部变量Ω(x)求出子集中的量子态数。

更改x以使Ω(x)恒定以进行可逆过程,或最大化Ω(x)以获得平衡。

更改x以增加Ω(x),这是不可逆的过程。

通过S(x)= logΩ(x)定义隔离系统的子集熵。熵是无量纲的,绝对的,广泛的热力学性质。保持Ω(x)恒定等同于保持S(x)恒定。增加Ω(x)等效于增加S(x)。

当现象需要具有多个内部变量的孤立系统时,每个内部变量都是从样本空间到不同集的函数,则BAT的运行方式相同。

申请方式

每个热力学现象都在BAT上运行。本书将对许多现象进行最佳实践。热力学的每种应用都显示如下相同的模式。

描述一个现象。示例包括节流阀的功能,树液的上升,发电厂中的过程,反应中的分子以及燃料电池的功能。

运行BAT。确定具有内部变量的隔离系统。完成其他步骤。

使用数据。本书描述了四种数据:纯物质,不可压缩的纯物质,理想气体和理想气体混合物。

给出预测。示例包括平衡条件,变化方向和热力学效率。

具体例子

本书的逻辑起点是热力学的基本算法。但是,从日常经验中删除了这个逻辑起点。

热力学是一门抽象的学科,但是有许多具体的例子。我们将从五个开始:

理想气体

相对湿度

不可压缩的纯净物质

水和蒸汽

冰,水和蒸汽

这些具体示例激发了热力学的逻辑,增强了我们的直觉,并为众多应用奠定了基础。 在整本书中,我们将返回这些具体示例。
 
如果您知道这些具体示例,请跳至熵部分,并在需要时返回具体示例。
如果您之前已经学习过热力学,并且迫不及待想要观看本剧的结局,请跳至该热力学剧本的摘要。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

4  +  1  =  

此站点使用Akismet来减少垃圾评论。了解我们如何处理您的评论数据