第九章 热力学第二定律
2019-05-21 19:552,673

  热力学第二定律是现代物理学的基础。它的基本思想是热量只能自发地从高温物 体传到低温物体,而不能从低温物体传递到高温物体。由于热量是混乱度或者熵的度量,因此热力学第二定律的另一种表达形式是:对孤立系统来说,熵总是增加的。第 二定律与时间的演进和事件的发生相关联,是宇宙演化的最终归宿。

  向一杯冰中加入热咖啡,冰因为温度升高而融化,咖啡则被冷却。 那么你是否有过这样的疑问:为什么它们的温度不会变得更极端?咖啡为什么不会从冰决中吸收热量,从而使冰块的温度变得更低,而自身的温度 变得更高?经验告诉我们那样的事情不会发生。那么为什么会这样呢?

  较热物体和较冷物体有一种通过交换热量来达到相同温度的倾向。 这就是热力学第二定律。它告诉我们,从整体上来说热量不能从低温物体传递到高温物体。

  那么冰箱是如何工作的呢?如果不能把一杯橘子汁的热量传递到其 他的物体上,如何才能将其冷却呢?热力学第二定律允许我们在特定情况下考虑该问题。冰箱将某物冷却,是有副产物形成的。这个副产物就 是冰箱自身所产生的大量热。你把手放到冰箱的后部摸一下就不难明白了。正因为冰箱放热,若将冰箱及其所处的环境考虑成一个整体,冰箱 的制冷仍旧遵守热力学第二定律。

  熵 热是混乱程度的度量。在物理学上,混乱度用“熵”度量,它测定的是一定数量项目的排列组合数。一包没有煮过的意大利面或者一扎挂面的“熵”是较小的,因为两者都 是高度有序的。如果将意大利面放到一锅热水里去煮,它就会乱成一团,而混乱度的增加,导致熵增加。类似地,一列整齐的玩具兵的熵较低,如果将它们散乱地扔在地板上,熵就变大。

  熵与冰箱的制冷有什么关系呢?热力学第二定律的另一种说法是, 封闭系统的熵永远是增加的。温度与熵有着直接的关系。低温物体的熵值较低,是因为低温物体中原子的混乱度较小;高温物体中的原子振动 更加剧烈,所以混乱度较高。因此,考虑到系统的所有部分,将其视为一个整体,熵变就一定是增加的。

  再回过来考虑电冰箱的情形。橘子汁冷却后熵会变小,电冰箱排出 的热气又补偿了熵的减小。实际上,热气的熵增超过橘子汁冷却导致的熵减。如果考虑包括冰箱和冰箱环境在内的整个体系,热力学第二定律 仍然是成立的。热力学第二定律的另一种说法就是熵永远是增加的。

  对于孤立系统,也就是没有能量流入和流出的系统来说,热力学第 二定律仍然适用。孤立系统的能量是守恒的。从宇宙的定义上来说,由于宇宙之外不包含任何物体,它也是孤立系统。因此,将宇宙作为一个 整体,能量是守恒的,熵也总是增加的。若某些区域的温度下降,那么熵的确是减小了。但正像电冰箱制冷一样,其他区域的温度必定会升 高,补偿温度降低区域的熵减,因此整体上来说熵仍然是增加的。

  如何直观地表示熵的增加呢?

  如果将巧克力糖浆倒入一杯牛奶中, 一开始熵是较小的。牛奶和巧克力糖浆相互分开,分别呈白色和棕色。 如果加以搅拌使熵增大,牛奶分子 和巧克力分子就会互相混合。混乱度最大的时候,巧克力糖浆和牛奶 完全混合,呈现均一的浅棕色。

  再重新考察整个宇宙。热力学第二定律表明,随着时间的推移,原子的混乱度会逐渐增大,各种不同的物质会缓慢扩散,直到整个宇宙都充满了这些物质的原子。因此,宇宙最终将由各种颜色的恒星和星系, 演变成原子相互混合形成的灰色海洋。当宇宙膨胀到星系分散、物质稀释时,它就变成了粒子的海洋。如果宇宙继续膨胀,它的最终状态就是 “热寂”。

  永动 热是能量的一种形式,因此可用热来做功。蒸汽机将热转换为活塞或者涡轮机的机械运动,用来发电。人类大部分的热力学知识 都是在 19 世纪开展的蒸汽机实践工程中获得的,而不是物理学家推导 出来的。热力学第二定律的另一个含义是热机和其他使用热能的发动机都是不完美的。在将热能转化为其他形式能量的过程中,总要损失一小 部分能量,因此系统的熵在整体上是增加的。

  永动机是指不损失能量,而能永远运行下去的机器。自中世纪起, 永动机就引起了科学家们极大的兴趣。热力学第二定律的出现粉碎了这个梦想。但在热力学第二定律被提出之前,许多人还是乐此不疲地提 出了一些可能的机器模型。波义尔想象出一种杯子,可以自己排空和倒满。印度数学家婆什迦罗设想出一个轮子,可利用滚动时重量的下落推 进自身的转动。实际上,如果仔细考察一下这两种机器,就会发现它们都是要损失能量的。这类的设想还有很多,甚至在 18 世纪使永动机背负恶名。法国皇家科学院和美国专利局对永动机一概不予考虑。现在,永动机仍是古怪私人发明家热衷的对象。

  麦克斯韦妖 19 世纪 60 年代,苏格兰物理学家麦克斯韦 提出了一个假想实验,企图说明热力学第二定律未必成立。该实验被认为是最具争议的实验之一。想象有两个并排放置的气 筒,二者温度相同。在两个气筒上各钻一个孔,这样气体粒子就可以从一个气筒进入另一个气筒了。假如一侧的温度比另一 侧高,那么过一段时间之后,由于粒子的通过,两边的温度将变得相等。之后,麦克斯韦就想象,有一个微观的小妖,它能 够从一个气筒中抓出速度较快的分子,并将其放入另一个气筒这样该气筒的温度就会升高,而另一个气筒的温度会降低。于 是麦克斯韦推测,热量就可以从低温的气筒传递到高温的气筒了。那么这个过程是否违反热力学第二定律呢?通过选出速度较快的分子真的可以把热量传递到高温的气筒上吗?

  “麦克斯韦妖为何不成立”这一问题的解释多年来一直困扰着物理 学家们。麦克斯韦的解释是,测量粒子的速度以及阀门的开合需要做功,也就是说需要能量。这意味着系统的熵是不会减少的。与“麦克 斯韦妖”最接近的是爱丁堡物理学家戴维。利(David Leigh)的机器妖(demon machine)。这个机器的确可以将速度大小不同的粒子分开,但 需要外部为它提供能量。也正是因为至今也没有一种办法能在无需外部能量的前提下将不同速度的粒子分开,直到今天物理学家们也没找出不 遵循热力学第二定律的情况。至少在目前看来,热力学第二定律总是成立的。

  五彩斑斓(或单调)的宇宙

  最近,天文学家们正在尝试计算出宇宙的平均颜 色。通过对宇宙中的星光进行加和,他们发现,宇宙的颜色并不是像阳光一样的黄色或是粉色、淡蓝色, 而是沉闷的米黄色。几十亿年之后,当熵最终胜过万 有引力之后,整个宇宙将变成米黄色的海洋。

  另一种角度看热力学定律

  第一定律

  认输吧

  第二定律

  你赢不了

  第三定律

  你不能出局

  混乱度定律

继续阅读:第十章 绝对零度

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