凯托卡诺

文稿编号：0427-7104(2012)02-0000-06 王季陶（复旦大学 专用集成电路与系统国家重点实验室，上海200433） 摘 要：热力学是一门依靠大量科学实验的事实发展起来的近代科学学科。在19世纪经典热力学有过它的辉煌年代，曾经是当时科学发展的一个典范。卡诺定理和由此建立起来的经典热力学第二定律，其正确性不容任何形式的否定。但由于近百年的欠发展，如今热力学成为比较罕见的谬误相对集中的学术领域。当前对卡诺定理和经典热力学第二定律的否定，大体上可以分为两种：一种是比较直接的反对，或声称得到了第二类永动机；另一种是通过篡改或混淆热力学熵函数的定义，或利用根本不存在的“麦克斯韦妖”等（包括声称为“证明热力学第二定律”的形式）来进行否定。为驳斥谬误，通过一种改变内部热容的卡诺热机的详细描述，证明：卡诺定理和经典热力学第二定律不可能也不容否定。同时指明：它们必须正确地加以发展成为扩展卡诺定理和普适化热力学第二定律。关键词：卡诺定理；热力学第二定律；麦克斯韦妖；熵；信息熵中图分类号：O 414.1; TK 123 文献标志码：A 1 当前热力学学科面临的严峻形势和重大的发展机遇19世纪中期热力学第二定律的建立是热力学学科形成的标志，它打破了当时牛顿力学一统天下的局面，是近代科学发展中的一个里程碑进展。热力学也是很多自然科学和工程技术学科门类（如物理、化学、生物、材料、机械、动力、能源、制冷等）中不可或缺的基础理论。然而在此后的一百多年中，人们对热力学第二定律的认识普遍停滞在经典热力学的阶段，也就是停留在对简单体系的经验总结基础上，这严重地影响到很多科学和工程技术门类的进一步发展。如今热力学自身也成为比较罕见的谬误相对集中的学术领域。当前对卡诺定理和热力学第二定律的否定大体上可以区分为两种类型：一种是比较直接地进行反对或声称得到第二类永动机；另一种是通过篡改或混淆热力学熵函数的定义来加以否定（包括声称为“证明热力学第二定律”），或利用根本不存在的“麦克斯韦妖 (Maxwell’s demon)”和非热力学的“信息熵 (information entropy)”、“信息过程的反馈控制 (information processing of the feedback controller)”等来否定热力学第二定律的科学本质。但是，卡诺定理和由此建立起来的经典热力学第二定律其正确性是不容任何形式的否定的。现实世界中“麦克斯韦妖”和所谓的“单分子卡诺循环 (one-molecule Carnot cycle)”根本就不存在，所谓“信息熵”根本就不是热力学意义上的“熵”。通过对一种可以改变内部热容的卡诺热机工作原理的详细描述，本文证明了卡诺定理和经典热力学第二定律的正确，其科学本质不容否定；指明必须根据真实的宏观实验（如低压人造金刚石，化学振荡或循环反应等），对卡诺定理和经典热力学第二定律正确地加以发展，使其成为扩展卡诺定理和普适化热力学第二定律（包括经典热力学第二定律和现代热力学第二定律 ）。近代科学的发展，特别是新材料、生命科学和能源科学等的发展使热力学第二定律——这一人类宏观经验总结也有了进一步的发展，这一人类宏观经验总结的发展是不能通过其他更基础的定律的推导和证明来得到的，而是由扩展卡诺定理和普适化热力学第二定律的推论都与实际现象和实验数据相符合来证实的。2 可变热容卡诺热机的正确设计图1可变热容卡诺热机的正确设计Fig. 1 A correct design of Carnot heat engines with adjustable capacity按照“新型热机改变内部热容发现新的热动力原理”一文（以下简称“新”文）中的描述：“新型理想热机是在卡诺热机的内部增加了固体物质，因此可以随意改变卡诺热机的内部热容”等，这种可变热容的卡诺热机可以形象地画在图1中。在图1中本文引入了热阀结构，这样可以利用热容的大小和热阀的开（导热）和关（绝热），很方便地表达“改变卡诺热机的内部热容”的构思。假定图1中的气体桶壁和活塞都是绝热的。气体的热量交换只能通过开启的热阀进行，同时固体的热容大小也是可调的。而“新”文中没有提供正确的设计图，原来的“新型热机”设计图既粗糙又不合理。3 可变热容卡诺热机的工作原理图1所示的可变热容卡诺热机实际上是由热机R和热机[font=Times New

卡诺定律存在瑕疵详情请见 零势无限场主要观点：1微观纳米技术可以改变气体分子运动的概率取向 2宇宙微观离散，每次对未来的选择都输入熵，这个熵在不大的时空内(统计学作用不明显)被收集。 结论：纳米技术可能打破熵增规律，造福全人类。 由于作者缺乏条件，不能亲自试验。在此呼吁纳米学家，能源科学家的帮助，为此理论验身。也呼吁关注能源问题的网络朋友们帮忙宣传，增加该理论的知名度和影响力。群众创造历史，一个人的力量是渺小的，何况作者不是大学者。感谢谢大家无私的帮助！

源自科技创新导报2010年25期10页《新型热机改变内部热容发现新的热动力原理》本文作者是在没有任何假设条件下揭示新的热动力原理，读者首先要阅读“新”文内容，按照作者的思路理解才能认识新的热动力原理：热2律和卡诺热机研究的理想气体没有的自然复原或自发序化等特性，“新”文实质是联系到固体的自然复原或自发序化等特性作用于热机的循环过程。读者据此探索新型热机，可以成为诞生在中国的诺贝尔奖得主，这点不是主要的，主要在于人类从此在能源方面走向解放。 卡诺定理和热2律仅仅是分析气体膨胀压缩过程得出来的结论。卡诺热机的循环过程中其内部热容只有2种变化情形：其恒温膨胀或压缩过程其实就是让卡诺热机的热容变为无穷大的一种情形，而绝热膨胀或压缩过程就是让它的热容变为最小的一种情形。仅仅从这2种情形来分析，那么任意两条绝热线不可能相交。就在它的内部加入固体物质后，产生了随意改变它的热容的新情形，使得绝热过程从始态到终态的P—V线可以被任意改变，结果是2条绝热线能够相交，具体方式有二种： 方式（1）把固体物质放入热机之中然后从热机之中取出，这个方式还没有违背热2律。由此引出方式（2）直接利用热机中的固体物质的热涨冷缩循环来对外做功，只有这个方式能够证明热2律不成立。“新”文的讨论突破仅仅对气体分析的限制进而利用了固体的热涨冷缩对外做功——联系到固体的自然复原或自发序化等特性作用于热机的循环过程。新型热机内固体物质旁边的空腔可以想象是一个对外做功的齿轮装置。实际上固体的热胀冷缩可以释放很大力量，固体的升温热涨可以推动齿轮传动，固体的降温收缩复原还可以拉动齿轮传动——总是把热量转化为对外做功。理想气体没有固体物质那样的热涨冷缩——缺少自然复原或自发序化性质。当容器中的气体在没有外压（或大气压）时不论受冷与受热都会膨胀。气体降温之后不会冷缩复原（像固体热涨冷缩那样自然复原）。固体物质降温就要收缩。容器中的气体受外压时因为温度变化影响出现膨胀压缩平衡波动的收缩现象不是冷缩性质。气体的膨胀过程能够对外做功，如果要气体收缩复原必须靠外界克服气体的压力对气体做功来压缩气体才能复原，气体绝热膨胀然后压缩复原的循环在理想条件下的特征是具有可逆性。（根据查理定律P=nKT，针对一定密度(体积)的气体，当温度越高气体压力越大，这时，气体膨胀就可以对外界做更大的功。同样针对一定密度(体积)的气体，当温度越低气体压力越小，这时，外界只要对气体做更小的功就可以让气体压缩复原。高温膨胀、低温压缩就是形成卡诺热机效率η的思路。）气体的绝热膨胀过程和固体的热涨过程都能够把部分热量转化为对外做功，二者在收缩复原上有明显区别，固体物质冷缩过程是自然的复原还能够把热量转化为对外做功而不需要接受外功在此露出端倪——固体的热涨然后冷缩复原可以使部分热量转化为对外做功。比较单一热源的气体绝热膨胀然后收缩必须靠外功作用来完成（绝热压缩过程）才能够复原——气体的绝热膨胀然后压缩复原不可能有热量转化为对外做功。固体和气体的这个区别反映了固体物质遵守一个不同于气体的新的热动力原理。这就是“新”文的物理基础和根据。单一热源中热机内气体的绝热膨胀压缩复原和固体的热涨冷缩复原的热功转化差别：单一热源中气体的绝热膨胀然后压缩复原时热量不可能转化为功，然而固体的热涨然后冷缩复原可以使部分热量转化为对外做功。这个区别是否存在决定“新”文真伪。因为单一热源的卡诺热机的绝热循环过程是不留痕迹的升温和降温，因此，固体物质必须放入卡诺热机之中，在理想条件下固体就随热机的循环过程也出现不留下任何痕迹的升温和降温，实现热涨冷缩循环。这样，如果利用热机内部固体物质的热涨冷缩循环来对外做功，固体可以使部分热量转化为对外做功，同时，还有改变卡诺热机的内部热容的效果——产生绝热膨胀过程和绝热压缩过程这2条绝热线相交,并且在改变它的内部热容的贡献中不留下任何痕迹。所以:热力学第二定律结论不成立。分析这一个改变热机内部热容方式的结论是：新型热机进行循环工作的4个过程中，同时利用热机内部固体物质的热胀冷缩等物理性质对外做功，这时，新型热机的循环工作不仅能够把热量完全转化为功输出，同时