热力学第一定律阐明了能量转换过程中的守恒关系,指出了不消耗能量而能不断输出功的第一类永动机确是一种幻想。热力学第二定律则更深刻地揭示了能量的品质问题。熵,或许发明这一物理量的先贤也未始能预料到其对自然科学甚至哲学竟能产生如此巨大的影响。
热力学第二定律有数种表达形式。最闻名于世的有克劳修斯表达和开尔文表达。克劳修斯:不可能把热量从低温热源传到高温物体而不引起其他变化。开尔文:不可能从单一热源吸取热量使之完全变为功而不引起其他变化。许多教材直接指出这两种说法是等价的。热力学第二定律的全部意义是指出了能量的品质属性,在承认量上的守恒下,进一步限制了能量的性质。任何表述都应该表达出这样一种思想。从后期的学习中可知,同样是100J的能量,处在不同形式或不同状态时其品质相去甚远。高温下的100J的利用价值(仅从人的主观来讲)高于更接近于环境温度的低温下100J热量。
克劳修斯说不可能在不引起其他变化的前提下使得热量从低温热源传至高温热源,其实就是这个意思。既然二者在品位或者层次上有高低之别,能量岂会溯游而上?可以说热力学第二定律限制了能量随意游移方向。从高温到低温,由于品位下降,自然随便转移;但若妄图逆向而行,并非全无可能,却要引起其他变化了。这里的引起其他变化必然是有另外的一部分能量品位降低来弥补所关注的这部分能量的品位的上升。
开尔文说不可能从单一热源吸取热量使之完全变为功而不引起其他变化。无数实践证明,将功认为是品质属性最高的能量形式是正确的。而热量的品位却因其所处的温度不同而不同。因此处于无限高的温度下的热量品位才能与功相比拟。现实中怎可能实现无限高温这一幻想状态?曾经想过这样问题:在锅炉中蒸汽进入透平膨胀做功过程中,为什么不让其膨胀到极限,而直接将乏汽再冲入锅炉加热,如此循环呢?这样岂不是达到了最无敌的能量利用率?不能否认,这样确实达到了无法超越的能量利用率,但是由于这已经完全无视了热二律,因此在可预见的未来,这种循环不太可能出现。原因如下:蒸汽的能量来自于化石燃料燃烧放热,归根至底是热量,热量的品位不可能高过功,使之完全转换为功而不花费其他的代价是不可能的。而且细想一把,这种机械完全就是第二类永动机,而热力学第二定律甚至有一种表达就直言第二类永动机是不可能制成的。还可从循环的角度去想。膨胀是绝热过程,加热却是定压过程,若循环近稳态,则每次循环中吸取的热量总是相差无多,这样,在膨胀过程中温差竟和定压过程接近,可以想见,几个循环之后,为保证这温差的相同,锅炉中的压力实已暴增到了惊世骇俗的地步,爆炸是其必然结果。
熵的确是一个神奇的物理量。从诞生之刻起,它就承担了巨大使命。在自然科学中,熵表达了一种无序程度。各种先贤证明自然界所有自发过程都朝着使无序度增加的方向狂奔,即熵增原理。上世纪中叶还有牛人从无序度的概念想开去,扯出了信息熵的概念。其应用范围目今已几乎无所不包,几乎是造物主手中第一法宝。关于熵增原理,史上也曾出现过争论。一些狂人甚至将整个宇宙看成是孤立系统,如此变得出了宇宙的终极是一片死寂,因为那时候各种有序都已经弥于无形,熵俨然达到了其最大值,这岂不令人沮丧?然而试想,热力学第二定律仅是人类在总结小空间中各种统计结果导出的,怎可用于无限的宇宙中去。这正如木箱中有四个分子,按照熵增原理,可断言均匀分布于其中,这岂不是胡扯?宇宙广阔无垠,其间磁场、引力场、电场、温度场无不千变万化,令人思之骇然,岂能随便就将这种有限空间中的定律用于其间?
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