郭建崴

讓我們先來回溯一下物理學的發(fā)展腳步。

作為物理學的一個分支，力學主要研究能量和力以及它們與固體、液體及氣體的平衡、變形或運動的關系，大致可分為靜力學、運動學和動力學三部分。古希臘時期，阿基米德已經初步奠定了靜力學（即平衡理論）的基礎。標志著近代自然科學誕生的哥白尼的日心說，則是對太陽系天體所作的運動學描述。16世紀到17世紀間，伽利略通過實驗研究和理論分析，最先闡明自由落體的運動規(guī)律和加速度的概念，提出慣性定律并用來解釋地面上物體的運動和天體的運動；17世紀末，牛頓在前人的研究基礎上，尤其是站在開普勒行星運動三定律的“肩膀”上，提出牛頓力學三大定律和萬有引力定律，成功地解釋了地球上的物體運動規(guī)律和行星的軌道運行規(guī)律，奠定了動力學的基礎，使經典力學形成系統(tǒng)的理論。隨后兩個世紀中，經很多科學家的研究與推廣，終于形成了一門具有完善理論的經典力學。

20世紀初葉，物理學革命造就出相對論和量子力學，變革了牛頓力學的時空觀念及能量連續(xù)性的認知，使得包括力學在內的整個物理學發(fā)展到一個全新的高度。然而，所有這些理論都只是對存在著的自然界的解讀，它們提供的僅僅是一幅沒有演化的自然圖景，被后來提出“耗散結構理論”的普利高津稱為“存在的物理學”。

其實，在19世紀50年代，熱力學第二定律的問世不僅為物理學的發(fā)展拓寬了領域，而且最先另辟蹊徑地把演化觀念帶進了物理學。

在被普利高津稱之為存在的物理學里，一種物質運動從舊的狀態(tài)變到新的狀態(tài)，還可以沿著同一條路徑無差別地回復到原來。也就是說，物質運動的時間是沒有方向的，過去和未來都一樣，物質運動的變化是可逆的。

從這個意義來說，上一期筆者文章中介紹的熱力學第一定律也還是屬于“存在的物理學”，即使它提供了熱力學能的基本定義，與所有熱力學系統(tǒng)有關，并闡明了能量守恒定律。

熱力學第二定律則不同，它與自然過程的方向有關，斷言自然過程是不可逆的。

實際上，在自然界根本找不到絕對可逆的變化。所有由一定初始狀態(tài)發(fā)生的變化和過程，都要對其周圍的環(huán)境產生某種影響，絕對不可能做到即使這一變化和過程回復到初始的狀態(tài)，又消除它給環(huán)境造成的一切影響。例如，江河里的水都是從位于高處的上游流向低處的下游，沒有任何一滴水能夠自動地倒流回上游；又如，一盆清水里如果滴入一滴墨汁，墨汁里的碳微粒會很快散布到清水中使清水變黑，但是變黑了的清水不會將碳微粒自動聚集到一起從而使水重新變清。這樣的例子不勝枚舉。

物理學對不可逆過程的研究也是從19世紀提高熱機（蒸汽機）效率的努力開始的。

熱機作功的基本過程是這樣的：工作物質（水）在高溫熱源（鍋爐）吸熱（水沸騰并轉化成蒸汽），一部分熱量以蒸汽推動活塞而作功，一部分熱量則由作功后的蒸汽帶入到冷凝器中放掉。

自1768年經瓦特改進的蒸汽機應用于工業(yè)開始，熱機效率一直不超過3%-5%。也就是說熱機僅僅將3%-5%的熱能轉化成了機械功，95%甚至更多的熱能都損失掉了。這個現(xiàn)象引發(fā)當時的熱機工程界對兩個問題進行著熱烈的討論——熱機效率是否有一極限？什么樣的熱機工作物質是最理想的？

到了1824年，前文提到的法國工程師卡諾發(fā)表了《關于火的動力》一書，提出了“卡諾熱機”和“卡諾循環(huán)”的概念以及“卡諾原理”（現(xiàn)在稱為“卡諾定理”）?！翱ㄖZ熱機”是一種理想熱機，是一切工作于相同高溫熱源和低溫熱源之間的熱機中效率最高的熱機；“卡諾循環(huán)”是一種可逆循環(huán)?！翱ㄖZ原理”則指出：“一、在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切可逆熱機，其效率都相等，與工作物質無關，與可逆循環(huán)的種類也無關；二、在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切不可逆熱機，其效率都小于可逆熱機的效率?！?/p>

卡諾熱機的效率是由高溫熱源的溫度T1和低溫熱源冷凝器的溫度T2決定的（T1、T2為絕對溫度值），最大效率是（T1-T2）/T1=1-T2/T1，可見它決定于高溫熱源同低溫熱源之間的溫差，溫差越大（T2/T1越?。┬示驮礁?。

根據這個公式有人可能會提出一個問題——如果低溫熱源的溫度降到0（T2=0），熱機效率不就可以提高到100%了嗎？然而正如開爾文和克勞修斯所指出，要使低溫熱源達到絕對零度是不可能的，因為那意味著組成物質系統(tǒng)的分子、原子、基本粒子等微觀粒子全都靜止不動，這樣的情況在自然界不會出現(xiàn)。低溫熱源不僅無法降溫到絕對零度，即便要使其溫度低于環(huán)境溫度都得對它作功，這還要消耗能量。那么，不要冷凝器、把放入冷凝器的能量全部用來作功是否可行呢？實踐證明也是不可能的。作功后帶有余熱的蒸汽如果不排入冷凝器放掉蒸汽機就不能周而復始循環(huán)地不斷工作。而且，即使不要冷凝器也并沒有去掉低溫熱源，經冷凝器釋放的熱量會散布到環(huán)境中去，環(huán)境就成為了低溫熱源。那么能不能不要低溫熱源只靠單一熱源作功呢？自從熱力學第一定律問世后，人們終于認識到能量不能被憑空制造出來，于是有些人幻想設計出一類“永遠工作”的機器，從海洋、大氣乃至宇宙這樣巨大的單一熱源中吸取熱能，將這些熱能作為驅動其轉動并輸出功的源頭，這就是第二類永動機。這樣的美夢直到今天也沒有實現(xiàn)、而且也永遠無法實現(xiàn)，因為機械能和內能的轉化過程具有方向性。

以第二類永動機不可能實現(xiàn)這一規(guī)律作為出發(fā)點，開爾文于1851年總結出熱力學第二定律——不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a生其他影響。就是說，熱量不能全部轉化為機械功，必須有一部分熱量要放入低溫熱源中去。功和熱的轉化是不可逆的。

其實在一年前的1850年，克勞修斯從熱傳導的經驗事實中也總結出了熱力學第二定律——熱不可能從低溫物體傳遞到高溫物體而不產生任何其他的影響。熱力學第二定律的這種表述，突出了熱傳導的不可逆性。

克勞修斯的陳述使用了“熱量傳遞”的概念。在熱力學中，這通常是指“能量以熱的形式凈轉移”，而不是指一種方式或另一種方式的貢獻轉移。例如，一塊100度的鐵同一塊15度的鐵接觸，熱量總是由100度的鐵流向15度的鐵，直到兩塊鐵的溫差消失。絕不會出現(xiàn)15度鐵的熱量流向100度的鐵，使溫差越來越大的現(xiàn)象；再如在我們現(xiàn)代使用的冰箱和空調中，如果壓縮機系統(tǒng)不進行外部工作，熱量是不能自發(fā)地從冷區(qū)流向熱區(qū)的，熱量從冷區(qū)流向熱區(qū)只有在外部因素作功才能實現(xiàn)。

熱的傳導總是由高溫流向低溫的。

熱量從熱水（深藍色）自發(fā)地流向冷水（淺藍色）（圖片引自互聯(lián)網）

熱力學第二定律兩種不同的表述，其實質內容是等價的，都表明了能量變化中的耗散特性。所謂能量的耗散是指利用效率較高的能量向利用效率較低的能量的轉變。機械能是一種利用效率較高的能量，熱能則是一種利用效率較低的能量；高溫物體具有的熱能利用效率較高，低溫物體的熱能利用效率則較低。自然界一切自發(fā)變化的過程都是能量耗散的過程，自然界的變化是不可逆的。

熱力學第二定律反映了物質運動中能量變化的方向性，并且給時間標上了箭頭，從此人們認識到，物理世界不只是一個存在的世界、還是一個演化的世界。