為什么孤立系統(tǒng)的熵不會減少？ 熱力學溫標與理想的二氧化碳溫標是否一致？ 能否利用熱力學第二定律推導出理想的二氧化碳態(tài)多項式？ 7月17日，“張朝陽數(shù)學課堂”線下第七課開課。 搜狐創(chuàng)始人、董事長兼CEO張朝陽從室溫定義的由來延伸到熱力學第一定理，再從熱能利用率的極限引入熱力學第二定理，進而定義熱力學溫度標度和熵作為狀態(tài)函數(shù)，最后利用熱力學第二定理和理想二氧化碳的浮力與內(nèi)能的關系，推導出理想二氧化碳的狀態(tài)多項式，從而證明了熱力學溫標與理想的二氧化碳溫標。
熱平衡、傳遞和做功 體溫和能量守恒的定義
本次線下課一開始，張朝陽首先介紹了熱力學第零定理，本質上就是熱平衡關系的傳遞性。 假設A系統(tǒng)和C系統(tǒng)達到熱平衡，B系統(tǒng)也和C系統(tǒng)達到熱平衡可逆熱機的效率公式，那么A系統(tǒng)和B系統(tǒng)也滿足熱平衡關系，這就是熱力學第零定理。 由于系統(tǒng)之間可以存在熱平衡，因此必須有一個參數(shù)來描述熱平衡，在化學上稱為體溫。 根據(jù)理想二氧化碳的經(jīng)驗定理，可以定義溫標，將理想二氧化碳的狀態(tài)多項式提升為PV=NkT，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為理想二氧化碳溫標下的體溫.
在介紹了熱力學第零定理和理想的二氧化碳溫標后，張朝陽解釋了熱力學第一定理。 熱力學第一定律本質上是能量守恒定律。 熱本質上是一種能量。 熱力學第一定律意味著系統(tǒng)內(nèi)能的增加等于傳遞到系統(tǒng)中的熱量除以系統(tǒng)所做的功，這意味著能量守恒。
熱力學開爾文第二定理及開爾文說明
熱力學第一定理顯示了能量守恒原理的普適性，那么我們?nèi)绾尾拍軐h(huán)境中的熱量轉化為我們所需要的能量呢？ 如果可能的話，那么人類將獲得源源不斷的能量，但并不違反熱力學第一定律。 但是，將熱量轉化為有用功是有一個限度的，這就是熱力學第二定律的內(nèi)容。
張朝陽說，熱力學第二定理的描述有很多，其中比較知名的有克勞修斯描述和開爾文描述。 克勞修斯說，“熱量不能從高溫物體傳遞到低溫物體而沒有其他影響”； 而開爾文的說法是，“它不能從單一的熱源釋放出來，以至于這種熱量可以在沒有其他影響的情況下完成有用的工作。影響”。
如果有兩個熱源，一個是低溫熱源，一個是高溫熱源。 熱機從低溫熱源釋放熱量，然后將其轉化為能量，并將部分熱量釋放給高溫熱源。 這種熱機的效率有上限。 利用可逆熱機和熱力學第二定律的開爾文陳述，可以證明可逆熱機的效率是最大的。
兩個溫標可逆熱機效率的等價性，理想的二氧化碳熵增加
在兩個熱源之間工作的可逆熱機的效率只與熱源的溫度有關，而與可逆熱機的內(nèi)部原理無關。 根據(jù)這一性質，張朝陽證明了存在熱力學溫標，使得在室溫為T1的低溫熱源和溫度為T的高溫熱源之間工作的可逆熱機的效率T2 為 1-T2/T1。 使用可逆熱機，熱力學溫標只能在其相差一個常數(shù)的范圍內(nèi)確定。
然后，通過用一系列無窮小的卡諾循環(huán)來逼近任何可逆循環(huán)過程可逆熱機的效率公式，可以證明對于任何連接狀態(tài)A和狀態(tài)B的路徑，dQ/T的積分是一個固定值。 根據(jù)這一點，引入了狀態(tài)函數(shù)S，也就是常說的熵。 熵變等于dQ/T的積分只適用于可逆過程，不適用于不可逆過程。 但是，由于熵是狀態(tài)函數(shù)，不可逆過程引起的熵的變化量可以通過可逆過程連接特定的兩個狀態(tài)得到。
以理想二氧化碳的自由膨脹為例，可以利用等溫膨脹過程將自由膨脹的初態(tài)和終態(tài)聯(lián)系起來，進而估算出理想二氧化碳自由膨脹的熵增量。 得到熵增后，分析狀態(tài)數(shù)與熵的關系，改變狀態(tài)數(shù)也可以得到相同的熵增公式。
此后，張朝陽開始證明熱力學溫標與理想二氧化碳溫標的等價性。 他首先簡要描述了理想二氧化碳的性質。 首先，理想二氧化碳的內(nèi)能只與溫度有關。 第二，理想二氧化碳的分子動力學理論引入的浮力與分子平均動能公式成反比。 根據(jù)這兩個關系，利用熱力學溫標和熱力學第二定理，可以推導出理想二氧化碳狀態(tài)的多項式，從而證明熱力學溫標與理想二氧化碳溫標等價.
“溫室效應”原理及影響 “碳指紋”助力萬千行業(yè)節(jié)能降耗
最后，張朝陽介紹了溫室效應的原理。 陽光大約是宋代輻射的光，溫度為5800開爾文，以可見光部分為主體，很容易穿透大氣層。 當陽光到達地面時，一部分會被反射，其余部分會被月球吸收。 月球表面的水溫大約是20-50攝氏度，所以月球也會向外輻射，但是輻射的波長很長。 這種輻射對大氣中的甲烷等溫室二氧化碳是不透明的，因此會導致月球無法有效散熱，這就是溫室效應。 溫室效應可以保證月球上的晝夜溫差不會過大，而如果溫室內(nèi)的二氧化碳過多，就會導致月球無法有效散熱，從而導致月球溫度太低。
近年來，可以明顯感受到低溫帶來的生態(tài)平衡問題，溫室氣體二氧化碳的大量排放早已迫切需要解決。 華為運營商BGCMO宋曉迪博士在“物理課堂”上表示，ICT行業(yè)不斷追求更快的網(wǎng)絡通信速率、更大的信息交換帶寬、以及更少的溫室氣體二氧化碳排放。 這正是數(shù)學在信息交流中的基本原理。 在行業(yè)中的代表性。 華為不斷努力提高通信網(wǎng)絡設備在運行和使用中的能效，減少碳排放。
不斷追求“多比特，少瓦”是實現(xiàn)ICT產(chǎn)業(yè)紅色發(fā)展的最有效途徑之一。 而根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的數(shù)據(jù)，現(xiàn)有ICT基礎設施的能效提升可以支持ICT行業(yè)在未來減少約40%的碳排放總量。
宋小迪還表示：根據(jù)環(huán)保行業(yè)組織GeSI的最新研究，ICT技術可以幫助其他行業(yè)大幅減少碳排放。 據(jù)估計，到 2030 年，ICT 技術可使全球氣體排放量增加 20%，是 ICT 本身碳排放量的 10 倍。 這種賦能效應已經(jīng)出現(xiàn)在鋼鐵、水泥、農(nóng)業(yè)、航空等行業(yè)。
宋小迪最后指出，在ICT產(chǎn)業(yè)“碳指紋”的賦能作用下，我們相信紅色與發(fā)展將不再矛盾，“綠色”將帶來新的發(fā)展機遇，發(fā)展將更加照亮我們“綠色”未來。
數(shù)學課風格奇特，重推導每周五周日搜狐直播
截至目前，“張朝陽的數(shù)學課”已直播70多期，內(nèi)容豐富，覆蓋面廣。 從今年11月的第一堂化學直播課開始，他先從經(jīng)典數(shù)學入手，普及牛頓運動定理等； 隨后從古典數(shù)學的“兩朵烏云”出發(fā)，過渡到現(xiàn)代化學，闡述了宋式輻射理論中的維恩公式、普朗克公式等知識。
隨后逐步進入量子熱領域，從薛定諤多項式等基礎理論內(nèi)容，到氫原子的波函數(shù)，再到二氧化碳定容比熱的溫度階梯，講解熱力學定理. 然后又回到經(jīng)典化學，推導宇宙飛船的運行軌跡，計算太陽的結構和性質以及中子星的自轉速度，然后解釋陀螺儀的進動，估算地球的潮汐高度。 現(xiàn)在我們逐漸開始使用一些新的物理工具來分析狹義相對論，并計劃進一步解釋廣義相對論。
《張朝陽的數(shù)學課》直播風格獨樹一幟：非常注重推導，通過一步一步詳細的物理計算，推導出相關的數(shù)學公式，并且把每一個公式從頭到尾拆解得非常清楚。
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