热力学第一、第二定律的诞生过程

 热力学第一、第二定律的诞生过程

——用《资本论》解决中国的内忧外患（59）

熵定律既是自然界一切定律的最高自然定律，又是互联网社会主义必须遵守的自然规律。熵定律就是热力学的第二定律，因此有必要弄清热力学第二定律的诞生过程。

第一，关于能量和功的概念

    能量是“做功的能力”。不论做饭还是造房子，我们都要活动，不同形式的活动就叫做功。没有能量，就不可能做功。我们祖先采用大自然材料并耗费一定能量制作工具，以便工作。但是从来没有想到做功和能量之间的关系这一物理问题。在物理学中，“功”就是用沿着一定方向，对某物体作用的力乘以该物体的移动距离，“功=作用力x距离”。

    自然界经历了无数次变迁，而科学家们特别注意自然界永恒不变的东西。惠更斯发现：在完全弹性碰撞运动中，一物体质量乘以它移动速度的平方：mv2.这个量保持不变。后来，莱布尼茨将这个量叫做运动物体的活力。后来沙特莱认为活力可以变成死力。他推测能量守恒包括两个量——活力和死力——两者可以互相转换，但两者的总量不变。渐渐地能量这个术语取代活力和死力。活力是能量，死力是潜在（势）能量。拉格朗日明确为：在一个运动系统中的能量包括动能和势能。地球沿着椭圆轨道绕着太阳转，其运动速度随它离太阳的距离增加而减慢。地球在运行期间，其动能和势能不断变化，但总量保持不变。所有运动的物体不给他动力，就会停下来，这就是摩擦力，摩擦力将引起能量的消耗。

    一物体受地心引力作用时的势能是：该物体距地面的高度乘以该物体的质量与重力加速度，即势能重力=mgh。（m物体质量，g重力加速度，h物体距地面的高度）。最早利用能量的方式之一是利用不同水位间的重力势能，即水能研磨谷物。

     第二，热力学第一定律的产生

     在自然科学中，热（温度）是一个重要的概念。热几乎涉及所有的自然过程。关于热的性有两个观点：热质论和热运动论。热质轮认为，热是一种实实在在的物质实体，一种非常微妙的流体，，并能从物质中流进流出。结论是：由于热这种物质的存在，而使物体变热，随它的离开使物体变冷。这种可产生热的有弹性的流体被拉瓦锡命名为卡。与之对应的是培根的热运动论。他确信，热是由物质的粒子运动产生的。波义耳指出：当把钉子订进一块木头时会变热。力学上叫“新”热。伦福德在水中给炮筒钻孔，使水变热。他确信摩擦和做功能转换成热，产生这种热只是一种运动。把机械能和热融合成的理论就是热力学理论。

     热力学第一定律是迈耶首先提出来的。迈耶推测在热带人不需要像在寒带消耗更多的能量维持体温。由此他认为，宇宙中能量总量是保持不变的；能量不能创造，也不会消失，但能转换成热也能做功，或者同时完成。他在物理实验中提出了“热到底怎样产生的”。他当时不了解热质论，只是简单下了一个正确的结论：摩擦力、敲击或任何一种机械力都可以产生热。热是由运动产生的，运动产生热和机械能是等量的。等量值是多少呢？没有人能计算出功和热之间的确定的数量关系。但他提出了一个与现在“热功当量值”的数值。迈耶还对动物和人做功后的食物的消耗进行了广泛的研究，并把理论扩展到有机体。他认为，机械功、热、化学反应、光、电、磁都是力（能量）的不同形式，彼此相互等量转化，但整个宇宙中其总量是不变的。他拒绝接受热质论，用实验说明能量定律既适用于生物，也适用于非生物。将能量转换定律提升为具有普遍意义的定律。但迈耶的理论被耻笑，导致他跳楼。

    对热力学第一定律做出贡献的第二个人是焦耳。焦耳研究电动发动机，他发现，在电功率产生的过程中热总是在起作用。他设计了璞轮箱作了由势能转换成机械能使水变热的实验，推翻了热质论建立了热力学第一定律。计算出了能量单位的数值。后人把一个能量单位叫做焦耳。焦耳用“功”的概念精确地计算出热功当量：消耗4.154焦耳的机械能可得1卡热能。1热卡表示将1克水升温1度所需的热量，这就是小卡（c）。当我们以食物为换算单位时，食物热量用大卡（C），1大卡等于1000小卡，相当于4,186焦耳机械功。1焦耳的能大约等于将一个100克的重物提升1米所耗费的能量。

     1842年亥姆霍茨根据永动机失败的事实，创立了能量守恒定律。亥姆霍茨指出热和功是能量的不同形式，它们的总量总是保持不变，这是热力学第一定律的实质。能量守恒定律适用于涉及功和热的一些现象，它虽不能测算出能量具体数量，但能分析出人力系统的内能量的变化是增加的还是减少。该定律说明一个系统的内部能量（E）的变化等于产生这种变化所吸收的热（Q）加上所消耗的功（W），即ΔE=Q+W。机械功的计量单位是用功乘以距离，热地计量单位是卡，两个物理量不能相加，除非它们的单位相同。当他听说焦耳已经测出热功当量时，他马上把热功当量做为支持他的能量守恒定律的依据。在物理学界，能量守恒定律常常能提供解决一揽子问题的方程式。正是这一目的，亥姆霍茨将能量守恒方程式应用到许多实例中，证实这条定律的重要性和实用性。

    按照热力学第一定律，一个热力学物体，只有当该物质从外界接受的总能量（热+功）为正时，才能够增加它内部的能量。我们所建立的机器对外界做功，按热力学第一定律，在亥姆霍茨的ΔE=Q+W公式中，这个功是一负功。如果一个热力系统没有从外界吸收能量和没有对外界做功，那么，这个热力系统内的能量保持不变。这就是能量守恒定律。热力学系统可以是一个物理的、化学的、生物学的、或者是其他任意一个热力学系统。热力学第一定律对事物的种类没有任何限制，每一事物都可以是一个热力学系统，从一个热水瓶到人体、房屋、化工厂乃至整个宇宙。热力学第一定律因其可以统一一切的威力，被称为自然科学的最伟大的概括。

     热力学第一定律给我们一个什么是我们能做的，什么是我们不能做的框架：我们能将能量从一种形式转换成另一种形式，但不能创造它或毁灭它。发现自然定律的目的是帮助我们排除不可能性，最大限度保持我们有用的资源，避免做大量的无用功。

     放射性元素产生能，似乎推了能量守恒。但是，后来发现镭的半衰期是1600年，铀则是45亿年。所以能量守恒是科学的。

     爱因斯坦证明质量就是能量。他提出著名的公式是E=mc2(能量=质量x光速的平方）。尽管的公式是正确的。但是E=Δmc2现实意义更大。Δm 代表变化（损耗）的质量。如果爱因斯坦的公式应用到实际，人类能量来源将不会是一个问题，因为c2是一个非常大的数字（c=186000英里/秒），任何1吨物质所产生的能量将满足美国一年能源的需要。根据这个公式计算的结果，我们现在的把某种物质转化为能量的过程仅仅是利用了这些物质所含能量中的一小部分，能源利用率很低。

    第三，热力学第二定律的产生

    卡诺的理论是“热-动力学”理论。卡诺认为不管蒸汽机运转过程中有怎样繁杂的细节，他总能抓住蒸汽机真正有意义的基本特征：一台热力发动机从热蓄水池——以较高温的、热的形式（Q2）——接受能量，热力能量被用于做机械功；发动机向外界——以较低温度的、热的形式——排出热量（Q1)(这种没有用做功的、排出的热称为消耗热）。然后，归纳出在两个温度之间运行的热发动机的最大效率计算公式：（Q2-Q1)/Q。建立了具有普遍意义的定律：“热发动机运转的能力与驱动它运动的气体性质无关，而是取决于它在其间工作的两个热源之间的温度“热质的传递”，

    开尔文制定了更精确的温度计量制度。1714年华伦海特发明了华氏温度：冰点30度，沸点212度，常温98.6度。1742年摄尔石乌斯，制定了摄氏温度，水结冰0度，沸点100度。开尔文建立了一个不受任何特定的物质影响的开氏温度，即绝对温度。他重新认识到热是由温度引起的一种无序运动。使所有运动处于静止状态的温度为0度，以这个为基础建立绝对温度。水的冰点为273度，沸点为373度（摄氏温度加上273可换算为开氏温度。）开氏温度由于不受任何一种特定的物质性质影响而成为真正切合热力学实际的、最基本的一种温度标准。用这个温标，卡诺的热机最大效率定律就可直接用热机运转中温度的变化来表示了。（T高-T低）/T高卡诺的最大效率方程式带来了热力学第二定律的诞生。

    卡诺定律使我们得到了一个测量热机经济效率的测量标准。例如，一台蒸汽机，在水的冰点和沸点两个温度之间运行，它的最大效率可套用公式（T高-T低）/T高=（373-273）/373=0.268.由公式可知，仅26.8%的热能转化成可利用的功，其余73,29%完全没有被利用。这是任何一台热机理想状态下在这个温度区间的真实情况。卡诺的效率定律告诉我们，热机最大效率取决于其运转过程中两个不同热源的温度。仅有热是不够的。从总体上看，从实际出发，技术能达到的目标总是要小于理论允许的范围。

     卡诺效率公式对热力效率设定的限制与我们现在生活高度吻合。目前我们能源的供应方式，从机械或电力来源的能量，如煤、气、或从石油中获得的能量都是以化学能形式储存下来的能量，在燃烧过程中释放出化学能，再由化学能转化成热能。热能可以做饭、取暖，然而，要使轮子转动，机器发动，或发电，热能必须转化机械能或电能。工程师的职责之一就是以最经济、最实用的方式使能量转化效率达到最大值。

    热力学第二定律的诞生。焦耳对卡诺能量效率公式的质疑是：如果热机不能把所有热能完全转化为机械能，那么，这些热能到哪里去了呢？按焦耳定律，某一定量值做的功总是能转化成一个等值的热，反过来也是如此吗？开尔文和克劳修斯充当卡诺和焦耳调停人。开尔文问自己，当热流体自由地从一个热物体流向另一个冷物体时，机械能是怎样不通过热机而以直接减少的方式消失的？开尔文想到，既然在自然条件下任何事物，包括能量，不可能无缘无故消失，那么，在机械能消失的地方，究竟发生了什么作用力使其消失了？他想到一个合理的解释。一个好的问题的提出，能够大大促进科学的发展，因为最终总有人能够找到这个问题的答案。从而使科学向前大大推进了一步。克劳修斯的解释是：在一个热机里，热量可看成是由两个部分组成，一部分热量来自热储水是在产生功的过程中被消耗的热；另一部分是传导到冷储水器的热量。他进一步指出，通过卡诺的能量效率公式测出的某一温度差之间的最大功率值，他得出的结论是：两个定律不仅可以同时存在，而且互相支持。

     开尔文对机械能到哪里去了的回答是：“虽然不能被消灭；但对人类来说，它是无可挽回地消失了。因此，它是被浪费了。”这个无可挽回地消失（损耗）了的能量概念可以被应用到其他的日常情况中。例如瀑布水的动能，如果没有水轮机对其加以利用的话，这部分动能到哪里去了呢？当瀑布水敲打到地面时，动能变成了热量并无可挽回地消失了。Δ

     既然焦耳对于卡诺的最大效率理论提出的异议可以调和，但还有一个基本问题没有得到解决，即自然界热力学过程发生的方向问题：热质流是从较热的物体流向较冷的物体还是相反？第一定律不能回答这个问题。要解决这个问题，需要一个新的热力学定律。卡诺使人们注意到这么一个现象：自然界中可能存在某一有利于能量流动的方向。克劳修斯增加了一个新的热力学基本命题：“热质不可能自动从较冷的物体流向较热的物体，即热量总是从高温物体传导到低温的物体”这个简单的阐述称为热力学第二定律的重要基础。开尔文和克劳修斯的结论是：以冷却一个热源而产生的效率来提升一个重物，这种循环运作的发动机是不可能存在的。这个原则就是说通过一个冷却的物体，使其温度低于周围外界温度的方式来获得功是不可能的。

    第四，自然过程的不可逆趋势

    一般热力学过程的真实情况远不是迄今为止我们的实验所能讲清楚的。但所有的自然过程都是不可逆的。因此，根据现象学原理，热力学第二定律是以遵循所有自然过程都是无条件的不可逆过程而推论出来的。（波尔茨曼）

    实际上，不可逆过程根本不是一个过程，而是一个连续的平衡状态。在我们的现实生活中遇到的许多过程往往是不可逆的。（索末菲）
     

    热力学第二定律具有比“热量从高温向低温传导”广泛的多的意义。这条定律明确的说明：要使自然界任何已发生的过程完全逆转是不可能的。一个无法完全倒转的过程称之为不可逆转过程，而除此之外的所有过程称之为可逆转过程。“完全”的意思是：在整体上确实可恢复到其初始的状态。

    自然界是否存在可逆过程，这不是一个自动显现的现象。普朗克宣布：唯一能看清楚显示热力学第二定律意义的方法，那就是将其基于一个通过实验证明或反证得出一个命题的事实基础之上。摩擦生热就是具备上述条件的一个实验，它是一个无法完全逆转的过程。而且，正如普朗克指出的，这个命题涉及到所有过程：因为自然界没有那个过程完全没有摩擦力或热传导，如果第二定律是正确的话，自然界所有发生的过程都是不可逆的。

    第二定率的意义不仅仅在于：断言第二类永动机是一个不可能的事，而且明确地说明自然界所有过程都是不可逆的。

    第二定律的有效性在热力学循环过程中，显得更加明显。无论多么复杂，其最后状态与最初状态总是有差别的，哪怕是正常情况下能量消耗的微小区别。第二定律告诉我们自然界中完全（可逆）的循环过程是不存在的。一旦某个过程已经发生就不可能恢复到它的初始状态。当检测更精确时，即使看起来很像是可逆的过程也是不可逆的。如地球绕地轴自转运动，由于潮汐的摩擦力，其运动正以微小的速度不可逆的变慢。宇宙间发生的所有过程都是显现为一个不可逆的变化。

     热力学第二定律适用于所有——不管是物理的、化学的、生物学的、地质学的还是其他领域的——自然过程。其适用性基于这样一个事实：即至今自然界还没有出现过一例与之相悖的例子。

 自开尔文和克劳修斯时代以来，来自于自然科学各个分支领域支持第二定律的数据越来越多。热力学第二定律的简明扼要给人们留下了深刻的印象。爱因斯坦也不例外。他说：“一个理论其明确的前提条件越多，涉及的不同事物越多，适应的范围越大，给人的印象就越深刻。经典的热力学就是这样一个给我留下深刻印象的理论。它是涉及一些普遍性内容的令我唯一信服的物理学理论。其基本概念的有效性，虽然那些持怀疑态度的怀疑论者，对其原理表示过怀疑，但从没有被推翻。”

参考《无序的科学》

劳动者2017年2月17日