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[张建平] [原创]经济学数理方法·变量逻辑综论,兼对热力学熵之清算(9) [推广有奖]

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张建平 在职认证  发表于 2007-9-5 10:17:00 |AI写论文

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(续接上帖)

通常,为了刻意强调功和热作为过程函数的特征,热力学教材或者物理化学教材都会用一个微量符号δ暗渡陈仓地替代微分符号d,来处理所谓的“微热”和“微功”,这说明热力学家也懂得不存在一个状态点上的过程函数的道理。但这种偷换概念的方法,实则是对微积分思想的谬用。

习惯上,δ是微小增量的意思,但不是无限小(d)的意思。微分方法是处理“无穷小”问题的,而不是处理“小”问题的,“小”并不等于“无穷小”,两者有着质的区别。微分方法处理的对象只能够是连续变量,而过程函数对于状态函数的自变量来说恰恰表现为不连续性,即当状态点改变的时候,是在同一个过程之中,没有过程量的改变可言。

“小”这个概念包含着明显的价值判断。时间的长与短纯属主观判断和感受,一个在我们人类看来很短的时期内,癌细胞、病毒、细菌可以繁殖很多代,而我们的“一辈子”对于宇宙事件来说,是短之又短的一瞬而已。当出现δQ这种表达而实际上当作dQ运算的时候,就意味着已经违背了Q是一个过程函数的定义,而是把Q看作可以在无限小的时间变化点上取值的变量,即存在在一个时点上的极限值,这就等于是一个状态函数了。在无穷小的热力学过程当中,等温可逆的假定已经毫无意义了,因为此时恒定温度T对应的过程已经被无限细分,已经是连续可变的状态函数了,即任何微小的时间移动都存在温度的变化问题,不能由此把一个流量(Q)当作存量处理(dQ),转而却把一个存量(T)当作不变的常数(恒温)看待。

关于d、δ和⊿三个符号的使用,物理学的偷梁换柱实际上已经引起了混乱。北京大学一个叫做“量子化学研究小组论坛”http://162.105.22.221 的学术网站中有一次专门的讨论,可以说明整个物理学界乃至数学界在这个问题上的含混不清。例如,一位叫做aspirin的网友针对这个问题发言说:“δ和d是有区别的!这一点老师在板书时也没有注意到,把δQ写成了dQ。事实上dQ这个符号是没有意义的。因为d这个符号表示微分,是Δ符号极限化之后得到的,比如ΔHH2H1,则dH就表示从状态1变化到状态2H的微小增量,说到底还是一个增量的概念。但δQ却不表示Q2-Q1,众所周知Q不是状态函数没有Q1Q2之分,它本身就是一个变化量而不是一个状态量,所以不能用dQ这样的符号。d只能用于状态函数之前,如dUdHdSdG。而表示微小的WQ时就要用δW和δQ。所以δ只表示纯粹的无穷小量而不是无穷小的变化量~(发布时间:2004/10/17 12:36pm)”

这位网友的错误是热力学界普遍存在的,错误在于,第一,dH并不“表示从状态1变化到状态2H的微小增量”,而是表示H流在点1上的无穷小扰动,和一个过程的终点2无关。换句话说,“dH”的表述意味着H是可以逐时点取值的,是一个状态函数(如第3/14帖所说,H是状态函数,则加上运算符d之后性质不变)。第二,过程函数的下标不是表示时点的,而只是某一个时段的序号,对比两个时段内某个流量的变化并用差值符号δ表示是完全可以并合乎逻辑的,比如把今年的产量Q2和去年的产量Q1做一个对比,得出增产数⊿QQ2Q1,这种写法是没有任何问题的。这也就是之前提到的“二级流量”(变化的变化)的概念。

事实上,数学教授在许多场合使用的是d来处理热和功的变化,如一本“面向21世纪课程教材”的高校数学教材在定积分的应用中有“物理学中的应用”一节,通篇都是dW,而不是δW(《高等数学(I)》,王凯捷,高等教育出版社,2002P165)。例如此教材上还有这样一道题目:求把一个半径为R的半球形的碗中的水抽出需要做的功。此中涉及到的“功”其实就是一个存量的能量概念。是数学教授不知道物理学家是把热和功作为过程量看待?还是数学家们已经意识到存在“流存量”性质的“功”和“热”概念?不得而知。

归根结底要认识到,过程函数(流量、时段数)仅仅成立于一个完整过程的终结之时,过程量不存在一个时点上,故不存在在此点上的无穷小扰动d问题。因此,数学处理上不存在一个过程函数对状态量的微分描述。物理学家把一个流量的热Q对状态量温度T进行实质化的微分处理,意味着存在一个当δ=0的时点上的热,而在一个点上是无所谓热概念的。所有的热力学教材都会提醒读者:不能够说某物质内含有多少热。也就是热和状态点不存在对应关系,当然也就不存在从此点开始的增量δ了。

数学上,∫abf(x)dx的符号形式表示xab两点都可以取值。如果把功和热表述为所谓的元功dW和元热dQ,作为积分因子写在积分符号之内,如∫abdQ/T,就意味着Q是在状态点ab之上可以取值的,这就从根本上否定了Q是过程量的界定。

考虑过程量Q随状态量T的变化,是热力学研究中的一个重大失误。这实际上导致了热力学的一系列严重问题,以致由热力学第二定律(熵判据)演绎出了“热寂论”这种荒谬结论。

从另一方面看,如果dSdQ/T可以成立,这意味着给出了一种温度的定义,TdQ/dS,即温度的含义是吸热量随混乱度的变化率(假如波尔兹曼熵概念成立)。但是,对于一个处于平衡态的孤立物系来说,内部存在一个微观可几状态S但却不存在热Q,这就等于说作为内部属性的温度是不存在的了。

那么,对于两个平衡态物系间的传热过程,究竟可不可以用热温商定义出一个状态函数“熵”?当然可以,这就需要用到作为“水表数”的热概念了,即用某时点(对应一个平衡态温度T)上已经传入的热量(或者假定为了得到某个温升而需要输入的热量,此问题参见后边关于热容概念的讨论)和这个点上的物系温度求比,定义为在此时点的熵。

这种方法虽然可以理顺变量逻辑,但是人为设立的“熵”函数不仅仅是变量逻辑问题。随之而来的问题是,所定义的熵是具有热量交换的两个物系当中那一个物系的熵?定义式中的温度又是哪一个物系的温度?有没有总物系的熵以及如何确定等等。

经济学中类似的这种数学谬用就是“需求的价格弹性”概念,这里同样完全无视过程量不可对状态量求导的变量逻辑。“点弹性”是存量,是描述曲线在某点上状态的状态函数,而“平均弹性”是流量,是描述一个过程的过程函数。

数学上的导数概念,在运动论的观点看来本质上就是变化率问题,即因变量随自变量的变化速度问题,而这两个变量必须是相同性质的连续变量。经济学上把流量的需求量概念与存量的价格概念之间求导,完全没有认识到其中的变量逻辑错误,还大言不惭地声称应用了严谨的数学知识,其实不过是低级的谬用罢了。

总结:存量是描述存在状态的,对应于某个时点,而流量是描述运动结果的或者说全过程的。存量和流量都是变量,但是变化的方式不同:存量是随时间而变,而流量是随时段序数而变。对时间坐标上,存量的变化是连续的,而流量的变化是跳跃式的(在自身坐标上可以是连续的)

(请续看下帖)

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关键词:经济学 热力学 高等教育出版社 Aspirin 物理学家 经济学 变量 数理 热力学 综论

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