现代热力学：基于扩展卡诺定理

《现代热力学:基于扩展卡诺定理》对以往180年来公认的热力学奠基石——卡诺定理提出了挑战，指出卡诺定理的“可逆性”要求不是能量转换效率最高的普遍必要条件。明确提出扩展卡诺定理，即“非耗散”的能量转换是能量转换效率最高的充分必要条件，从而成为热力学进一步完整发展的奠基石。《现代热力学:基于扩展卡诺定理》与流行的众多经典热力学著作不同，它是目前国内外唯一完整阐述热力学各个分支领域和热力学学科基本分类系统的原创性专著。热力学是科学的核心内容，热力学第二定律又是热力学的核心内容。在《现代热力学:基于扩展卡诺定理》中提供了热力学第二定律在各分支领域的数学表达式，形成了一个完整的学科体系。作为一本专门深化热力学第二定律认识的专著，必将推进物理、化学、材料科学、生命科学等理工科和一些人、文科学基础概念的发展。
　　《现代热力学:基于扩展卡诺定理》是原创性专著，文字浅近易懂。读者是上述相关专业的教师、研究人员、工程技术人员、研究生及本科生等，《现代热力学:基于扩展卡诺定理》也可以作为热力学课程教学改革方面的相关教材或补充教材。

王季陶，教授，1933年5月生于上海。1955年复旦大学本科毕业，先后在复旦大学化学系、物理系、材料科学系、电子工程系和微电子学系从事教学和科研工作。 　　在近15年中，主要从事热力学基础研究。1990年提出“低压金刚石气相生长的热力学耦合模型”，2000年创建“非平衡非耗

序言
　　一位资深的美国教授特鲁斯戴尔（C Truesdell，1919-2000）说过：每一位物理学家都确切地知道什么是第一和第二定律，但是根据我的经验没有两个物理学家的认识是相同的。（Every physicist knows exactly what the first and second laws mean，but it is my experience that no two physicists agree on them）。
　　根据我自己过去20年从事低压金刚石生长热力学的研究经验，特鲁斯戴尔的经验或感觉是正确的。这就意味着，在整个20世纪中没有人真正认清“什么是热力学第二定律”。
　　众所周知，卡诺定理是热力学（特别是经典热力学）的奠基石，也是热力学第二定律的起步点。卡诺在1824年总结了当时人类日常宏观的经验。卡诺定理不能从其他学科更基础的定律来推导或证明。卡诺定理认为：可逆热机的效率最高。卡诺定理强调卡诺循环的“可逆性”，并且由此建立了经典热力学中的可逆过程热力学（即平衡热力学）以及不可逆过程热力学（即非平衡热力学）。但是如今已经发现：能量转换效率最高的充分必要普适条件是“非耗散”的能量转换，而不是“可逆”的能量转换。这就是扩展卡诺定理。一个非耗散循环过程（例如一个非耗散的卡诺循环）一定是可逆的。因此扩展卡诺定理已经包含了卡诺定理，但是不能反过来说。扩展卡诺定理是热力学（特别是现代热力学）的扩展奠基石，也是热力学第二定律在当前21世纪的新起步点。从扩展卡诺定理建立了现代热力学的非耗散热力学的新领域以及对应的耗散热力学。
　　热力学是一门关于宏观发展的科学，也是一门关于宏观体系能量和能量转换的科学，所研究的宏观体系是由大量粒子单元组成的。众所周知，热力学第二定律的本质是宏观体系发展的时间不可逆性，即“时间箭头”（ar-row of time）或“光阴似箭”是“一去不复返”的。然而，卡诺定理则强调“可逆性”。这样的矛盾在过去存在并延续了180多年，也正是热力学领域很多困惑的根源。这种崇尚经典、排斥现代化的现象是在其他科学学科中十分少见的，或者可以说：这是至今唯一的。