牛顿定律被颠覆 认识论·变量逻辑综论,兼对热力学第二定律之颠覆(7)



续接上帖)

下面的文字试图通过讨论热力学当中“功”和“热”的变量性质问题,来进一步阐述“流存量”的概念。

热力学通常比较注意系统变量的性质划分,但是,仍然没有搞清楚状态函数和过程函数的真正差别。按照习惯说法,热力学会明确地说功和热都是过程函数而不是状态函数,就如同经济学家会简单地把“需求量”定义为流量一样。但是,这种认识却是片面的,即它忽略了变量成立的前提条件,没有认识到一种和过程有关但是却是表现事物状态的变量“水表数”的存在。

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先看功这个概念。图-2所示试验表明一个汽缸内部的气体受热膨胀的过程,热力学给出的气体膨胀反抗外力F做功的公式是众所周知的W=F·L。

 牛顿定律被颠覆 认识论·变量逻辑综论,兼对热力学第二定律之颠覆(7)

大家仔细看一看这个式子就会发现,式子的左边“功”W被定义为一个过程函数(流量、时段数),而等式的右边的两个变量力F和位移L却是地地道道的状态函数。两个状态函数之积,或者说,两个状态函数的函数,毫无疑问也应该是一个状态函数,那么“功是过程函数”的认定又从何说起?或者问,既然功和一个确定的状态(P、L)逐一对应,或者说达到一个确定的状态(P、L)需要做一个特定量的功W(=FL),那么能够描述状态的变量不是态函数又能够是什么?

我们类比前面提到的热力学概念“焓”。热力学在把焓(H)确认为一个状态函数时依据的就是“不同状态函数的函数(运算结果)是状态函数”这一逻辑原则。而今W作为两个状态函数F(受力状态)和L(位置状态)的乘积,怎么不据此被认定成一个状态函数而认定为过程函数了呢?确定焓为态函数的原则还算不算数?难道有时而算数时而又不算数的逻辑吗?那么理论的内部逻辑一致性如何体现?

其中的问题出在什么地方?当然不是“不同状态函数的运算结果也是状态函数”这个逻辑有问题。这就又涉及到“流存量(水表数)”的概念了。在这个热力学试验当中,因为位移L和力F是随时取值的,所以W=F×L表示的是已经做出的功的大小,就是从初始状态膨胀到任意当前状态时所累计做的功,是随时可测的,W=FL的含义就如同“水表数”是从安装开始到当前的累计过水量一样。也就是说,在此W是一个水表数,即状态函数,因为它对应于气体的一个确定的状态(P,L)。

同样的问题出在“热”这个概念上。在上述试验当中,我们可以随时测度气体温度和已经传入汽缸的热的量,建立一一对应关系,也就是说可以建立起一个T=T(Q)的关系式,那么此时,我们所考察的热Q就是从传热开始到当前状态(T)时累计传入的热量,是一个水表数即“流存量”,而非一个流量的热Q,除非我们否认温度是状态量。

是不是热力学需要改变“热Q和功W是过程函数”的认识?问题并不那么简单。事实上,热力学长期一直陷于对“热”和“热能”的区分纠缠当中。但又该如何解释热Q和功W和过程有关这种现象?难道和过程有关的变量不是过程函数吗?这就是“流存量”和“积流量”之间的区别问题或者说流量的统计学特征问题了:只有当一个存量(流动速度)从指定的时间起点累计到指定的时间终点的时候,一个指定时长的过程完成时,其取值才可以称为流量(过程函数、时段数),而从起点累计到过程中间任意时点上的取值都不是流量而是存量(水表数)。

请记住,对一个过程来说,过程函数(时段数、流量)一定是针对整个时段(过程)取值测度的!一个流量在一个过程当中只可能有一个取值点即终点,而不是随时取值的。如果我们说“上一个过程做了多少功?”,意味着功是过程函数,在所考察的过程中,只有一个数值;而如果我们对当前这个过程来说“到现在为止已经做了多少功?”,则意味着一个存量(水表数)的功概念,因为一个过程当中有无穷多个“现在”。

所以,当把W=FL(过程量“功”的严格计算式写法应该是W=F·⊿L)运用于整个过程的时候W=P环V终-P环V始,此时的W是在这个过程中的唯一取值,即是一个流量。如果把V终改写为任意中间状态点V,W=P环V-P环V始,就变成一个状态函数(水表数、存量)了,因为它是和状态V相对应的,可以反映任意体积V时的状态,或者说是状态函数V的函数,故也是状态函数(存量)。

帖子“需求量不是购买量”属同种问题:只有把整个指定时段内的每次购买量(存量)加和起来,才可以得到一个需求量(流量)数据。而从“开始到当前共购买多少?”、“今天已经卖出了多少货?”等等都是一个“流存量”概念,而非流量。

再举关于水库的例子。“小浪底水库每天放出多少水进行调沙”(A)是一个流量概念,它对应于前天、昨天、1号、2号等等时序变量和完整的一个时段长度(每天24小时)。但是“今天(到当前为止)放出多少水了?”(B)却是一个存量概念(水表数),它指的是今天从开始到当前共放出多少水,调度人员可以随时(T)得到这个数据,可以画出一个A-T曲线来;而“每天放出多少水”的数据一天才有一个,只有和日序才能构成对应关系。因此,不能用“放水量”来替代A、B两者说法。是流量还是存量,决定于规定的变量具体测度方法和定义式所指。

 

下面的例子有助于进一步理解“水表数”为何是一个存量而不是一个流量。

教授让两个学术去测量某处山泉流出的水的体积量,并思考这个出水量是流量还是存量。学生甲采取的办法是在泉口安装一个带有水表的管路,让泉水流经水表,自己只需要去记录“水表数”;学生乙的办法则是把泉水引入一个水池中,自己只需要去量一下水池的深度换算为体积即可。

(同样的例子我们还可以演绎为两个员工测度“产量”:一个观测生产线安装的计数器,一个则坐在仓库查库存。)

甲说他记录的数据应该看作是一个流量(过程函数),因为是从山泉(水管)中不断流出来的,而且水表的读数也对应于一个累积过程嘛。乙则说他记录的数据应该是一个存量(状态函数),因为它表现为水池的容积数,反应的是池中存水的一种状态,所以应该是存量。

然而实际上,甲乙两位同学测量的是同一个物理事实,每个数据都表述一个事物状态点。所以,水表数和水池中的水量必然是同性质的变量,都是态函数。

 

流量不可直接测度只能间接计算,而“存量”还是“流量”的惟一判决就是看对应于时点还是对应于时段,既然可以在某时点上观测,必然对应于事物在某时点上的状态,则就是一个状态函数即存量。而对应于指定时段的结果,才是一个流量。如果教授要学生做一个水表数和池水深度的对照表,两个学生可以手到擒来,只需要把任意时点上的水表读数和池水深度一一对照即可;但是,如果教授要学生做一个日出水量和水池深度的对照表就无从下手了,因为日出水量每天才有一个,而水表数或池水深度有无穷多个数据,只要你愿意去测就有。

形象地说,当我们按下快门的时候,只能拍到事物在一个时点上的照片,而不可能拍到事物在1和2两个点上的模样。所以⊿S=S2-S1只能是一段录像(过程量),而不是一张照片(状态量)。

以上所举的例子都是连续的“流”,对于离散的“流”来说,积分变为加和就可以了。所以,之前有帖提到,每一次购买的量都是发生在交换时点上的存量,从时间起点到当前的累积购买量就是一个“流存量”(水表数、存量),而把指定阶段内的所有购买量加起来,其和就变成了对应于这个阶段的一个过程量(流量)了。(请续看下帖)

 

  

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