猜想、发展与深化

热力耗散的必然趋势----物理热学之三

开尔文（1824--1907）是英国著名的物理学家，就是1847年英国科学促进会上高度评价焦耳报告的年轻人威廉•汤姆森，开尔文勋爵是1892年英国国王给与他的册封爵号。开尔文从小就是一个神童，11岁上格拉斯哥大学学习数学，并发表了他第一篇数学论文。1841年进入剑桥大学，1845年毕业，22岁就当上了教授。这一年开尔文就可是研究地球的年龄。

开尔文假定，地球是从太阳中分离出来的，起初温度和太阳一样，以后慢慢冷却，冷却到现在可能要数百万年，他由此猜想，太阳的能量来自于引力收缩，照耀地球的时间也不会超过几亿年。今天我们知道了，开尔文猜想的太阳、地球年龄值都太小了。主要原因是开尔文不知道地球在冷却的过程中内部还有热源，太阳的能量主要不是来自引力收缩，而是内部的核反应。

开尔文因为研究地球的年龄，就会涉及到能量耗散的问题。在已经掌握的牛顿物理学的框架里，这个问题是无法处理的。因为牛顿运动方程处理的都是一些可逆过程。时间的倒流，在牛顿力学中是完全可能的，但在我们的现实世界中，谁也无法看见时间的倒流，打碎的镜子不会自动复原，泼出去的水不会自动收回，人不可能越活越年轻，我们谁也无法知道自己将来的样子等等，所有这些非常自然的不可逆的过程，都是牛顿力学所不能解决的。这对卡尔文来说，都是一些未知并且需要探究的新领域。

卡诺的理想热机最先因起了卡尔文的注意。卡诺热机的结论是，理想热机是所有实际热机中热效率最大的，而且这个热效率是不可能达到的。因为，尽管热是从高温流向低温是一个必然的过程，但由于热机设计的不周到，不可能完全将这个过程利用起来做功。卡诺热机理论实际上已经包含了第二定律的基本思想：热总是不可避免地要从高温热源流向低温热源，虽然能量总量没有丧失，但它却越来越丧失做功的能力。1840年，开尔文发表《建立在热之动力的卡诺学说基础上和由卡诺的观察结果计算出来的一种绝对温标》，文章指出，卡诺已经表明，热机中的热功关系只取决于热量和温度差，但温度差尚没有一个绝对的量度。卡尔文根据法国物理学家查理（1746--1823）所发现的查理定律，即温度每降低一度，气体的体积就缩小零度时的体积的1/273，得出结论说，在摄氏零下273度时，气体的动能为零，因而是真正的零温度。因此，开尔文建立了以摄氏零下273度为绝对零度的绝对温标。

1849年，开尔文发表《关于卡诺学说的说明》，指出卡诺关于热机做功并不消耗热的看法是错误的，卡诺理论应该予以修正。1851年，开尔文又发表《论热的动力理论》，系统地阐述了修改后的热力学理论。他第一次提出了热力第一定律和第二定律的概念，其中第二定律是：从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功而不产生其它影响是不可能的。这个表述等价于那种单靠从海水或土地中吸取热量而做功的永动机的不可能。

1850年，德国物理学家克劳修斯（1822—1888）发表《论热的动力与由此可以得出的热学理论的普遍规律》一文，也对卡诺热机理论进行了新的修正和发展。提出了著名的克劳修斯等式。等式说，热机从高温热源吸取的热量与该热源温度之比，等于向低温热源所放热量与该热源温度之比。由该等式可以直接推出理想热机的热效率与两热源之温差成正比的结论。由此他得出了又一种形式的热力第二定律：热量不可能自动地从较冷的物体转移到较热的物体，为了实现这一过程，就必须消耗功。以此来证实实际热机的热效率都不可能高于卡诺热机。

1854年，克劳修斯又发表《论热的机械理论的第二原理的另一形式》，给出了热力第二定律的数学表达式。1865年，他发现，一个系统的热含量与其绝对温度之比，在系统孤立（不与外界发生能量交换）之时总是会增大。在理想状态下保持不变，但在任何状态下都不会减少。克劳修斯将其命名为“熵”。热力学第二定律因而也被说成是熵增定律。

熵，是热力体系中不能利用来做功的热能，可以用热能的变化量除以温度所得的上来表示。其实，就是能量可以转化为有用功的量度。熵越大，则可能转化为有用功的可能性越小。这样，克劳修斯就将热力学的两个定律表述如下：第一定律，宇宙的总能量是守恒不变的；第二定律，宇宙的熵趋向于一个最大值。

热力学的第二定律的历史性突破在于，它突出了物理世界的演化性、方向性和不可逆性，给出了与牛顿宇宙及其图景完全不同的世界演化图景。热力学的第二定律导致了“宇宙热寂说”。就是说，由于宇宙中的能量转化为有用功的可能性越来越小，宇宙中的热量分布的不平衡逐步消失，最后，整个宇宙将达到热平衡状态，不再有能量形式的变化，不再有多种多样的生命形式，宇宙在热平衡中达到寂静和死亡。虽然这个演化是向下的，越来越糟糕的，新的自然科学还正在试图消除“宇宙热寂说”，但它确实与进化论共同发展了演化的概念，深化了人类对宇宙的认识。

所以有位著名的作家说：“不了解热力第二定律与不懂得莎士比亚同样糟糕。”