進(jìn)化論系列講座（二十五）熱力學(xué)第二定律與演化的物理世界

郭建崴

讓我們先來(lái)回溯一下物理學(xué)的發(fā)展腳步。

作為物理學(xué)的一個(gè)分支，力學(xué)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(yùn)動(dòng)的關(guān)系，大致可分為靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三部分。古希臘時(shí)期，阿基米德已經(jīng)初步奠定了靜力學(xué)（即平衡理論）的基礎(chǔ)。標(biāo)志著近代自然科學(xué)誕生的哥白尼的日心說(shuō)，則是對(duì)太陽(yáng)系天體所作的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述。16世紀(jì)到17世紀(jì)間，伽利略通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，最先闡明自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和加速度的概念，提出慣性定律并用來(lái)解釋地面上物體的運(yùn)動(dòng)和天體的運(yùn)動(dòng)；17世紀(jì)末，牛頓在前人的研究基礎(chǔ)上，尤其是站在開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律的“肩膀”上，提出牛頓力學(xué)三大定律和萬(wàn)有引力定律，成功地解釋了地球上的物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和行星的軌道運(yùn)行規(guī)律，奠定了動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，使經(jīng)典力學(xué)形成系統(tǒng)的理論。隨后兩個(gè)世紀(jì)中，經(jīng)很多科學(xué)家的研究與推廣，終于形成了一門(mén)具有完善理論的經(jīng)典力學(xué)。

20世紀(jì)初葉，物理學(xué)革命造就出相對(duì)論和量子力學(xué)，變革了牛頓力學(xué)的時(shí)空觀念及能量連續(xù)性的認(rèn)知，使得包括力學(xué)在內(nèi)的整個(gè)物理學(xué)發(fā)展到一個(gè)全新的高度。然而，所有這些理論都只是對(duì)存在著的自然界的解讀，它們提供的僅僅是一幅沒(méi)有演化的自然圖景，被后來(lái)提出“耗散結(jié)構(gòu)理論”的普利高津稱為“存在的物理學(xué)”。

其實(shí)，在19世紀(jì)50年代，熱力學(xué)第二定律的問(wèn)世不僅為物理學(xué)的發(fā)展拓寬了領(lǐng)域，而且最先另辟蹊徑地把演化觀念帶進(jìn)了物理學(xué)。

在被普利高津稱之為存在的物理學(xué)里，一種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)從舊的狀態(tài)變到新的狀態(tài)，還可以沿著同一條路徑無(wú)差別地回復(fù)到原來(lái)。也就是說(shuō)，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是沒(méi)有方向的，過(guò)去和未來(lái)都一樣，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的變化是可逆的。

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

熱力學(xué)第二定律則不同，它與自然過(guò)程的方向有關(guān)，斷言自然過(guò)程是不可逆的。

實(shí)際上，在自然界根本找不到絕對(duì)可逆的變化。所有由一定初始狀態(tài)發(fā)生的變化和過(guò)程，都要對(duì)其周?chē)沫h(huán)境產(chǎn)生某種影響，絕對(duì)不可能做到即使這一變化和過(guò)程回復(fù)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(méi)有任何一滴水能夠自動(dòng)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(huì)很快散布到清水中使清水變黑，但是變黑了的清水不會(huì)將碳微粒自動(dòng)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(xué)對(duì)不可逆過(guò)程的研究也是從19世紀(jì)提高熱機(jī)（蒸汽機(jī)）效率的努力開(kāi)始的。

熱機(jī)作功的基本過(guò)程是這樣的：工作物質(zhì)（水）在高溫?zé)嵩矗ㄥ仩t）吸熱（水沸騰并轉(zhuǎn)化成蒸汽），一部分熱量以蒸汽推動(dòng)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(jīng)瓦特改進(jìn)的蒸汽機(jī)應(yīng)用于工業(yè)開(kāi)始，熱機(jī)效率一直不超過(guò)3%-5%。也就是說(shuō)熱機(jī)僅僅將3%-5%的熱能轉(zhuǎn)化成了機(jī)械功，95%甚至更多的熱能都損失掉了。這個(gè)現(xiàn)象引發(fā)當(dāng)時(shí)的熱機(jī)工程界對(duì)兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行著熱烈的討論——熱機(jī)效率是否有一極限？什么樣的熱機(jī)工作物質(zhì)是最理想的？

到了1824年，前文提到的法國(guó)工程師卡諾發(fā)表了《關(guān)于火的動(dòng)力》一書(shū)，提出了“卡諾熱機(jī)”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(jī)”是一種理想熱機(jī)，是一切工作于相同高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g的熱機(jī)中效率最高的熱機(jī)；“卡諾循環(huán)”是一種可逆循環(huán)。“卡諾原理”則指出：“一、在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)，其效率都相等，與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，與可逆循環(huán)的種類(lèi)也無(wú)關(guān)；二、在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機(jī)，其效率都小于可逆熱機(jī)的效率?！?/p>

卡諾熱機(jī)的效率是由高溫?zé)嵩吹臏囟萒1和低溫?zé)嵩蠢淠鞯臏囟萒2決定的（T1、T2為絕對(duì)溫度值），最大效率是（T1-T2）/T1=1-T2/T1，可見(jiàn)它決定于高溫?zé)嵩赐蜏責(zé)嵩粗g的溫差，溫差越大（T2/T1越小）效率就越高。

根據(jù)這個(gè)公式有人可能會(huì)提出一個(gè)問(wèn)題——如果低溫?zé)嵩吹臏囟冉档?（T2=0），熱機(jī)效率不就可以提高到100%了嗎？然而正如開(kāi)爾文和克勞修斯所指出，要使低溫?zé)嵩催_(dá)到絕對(duì)零度是不可能的，因?yàn)槟且馕吨M成物質(zhì)系統(tǒng)的分子、原子、基本粒子等微觀粒子全都靜止不動(dòng)，這樣的情況在自然界不會(huì)出現(xiàn)。低溫?zé)嵩床粌H無(wú)法降溫到絕對(duì)零度，即便要使其溫度低于環(huán)境溫度都得對(duì)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(lái)作功是否可行呢？實(shí)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(jī)就不能周而復(fù)始循環(huán)地不斷工作。而且，即使不要冷凝器也并沒(méi)有去掉低溫?zé)嵩矗?jīng)冷凝器釋放的熱量會(huì)散布到環(huán)境中去，環(huán)境就成為了低溫?zé)嵩?。那么能不能不要低溫?zé)嵩粗豢繂我粺嵩醋鞴δ兀孔詮臒崃W(xué)第一定律問(wèn)世后，人們終于認(rèn)識(shí)到能量不能被憑空制造出來(lái)，于是有些人幻想設(shè)計(jì)出一類(lèi)“永遠(yuǎn)工作”的機(jī)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(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)并輸出功的源頭，這就是第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)。這樣的美夢(mèng)直到今天也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)、而且也永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闄C(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性。

以第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)這一規(guī)律作為出發(fā)點(diǎn)，開(kāi)爾文于1851年總結(jié)出熱力學(xué)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(chǎn)生其他影響。就是說(shuō)，熱量不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，必須有一部分熱量要放入低溫?zé)嵩粗腥?。功和熱的轉(zhuǎn)化是不可逆的。

其實(shí)在一年前的1850年，克勞修斯從熱傳導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)中也總結(jié)出了熱力學(xué)第二定律——熱不可能從低溫物體傳遞到高溫物體而不產(chǎn)生任何其他的影響。熱力學(xué)第二定律的這種表述，突出了熱傳導(dǎo)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(xué)中，這通常是指“能量以熱的形式凈轉(zhuǎn)移”，而不是指一種方式或另一種方式的貢獻(xiàn)轉(zhuǎn)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(huì)出現(xiàn)15度鐵的熱量流向100度的鐵，使溫差越來(lái)越大的現(xiàn)象；再如在我們現(xiàn)代使用的冰箱和空調(diào)中，如果壓縮機(jī)系統(tǒng)不進(jìn)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(shí)現(xiàn)。

熱的傳導(dǎo)總是由高溫流向低溫的。

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

熱力學(xué)第二定律兩種不同的表述，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是等價(jià)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(zhuǎn)變。機(jī)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(guò)程都是能量耗散的過(guò)程，自然界的變化是不可逆的。

熱力學(xué)第二定律反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中能量變化的方向性，并且給時(shí)間標(biāo)上了箭頭，從此人們認(rèn)識(shí)到，物理世界不只是一個(gè)存在的世界、還是一個(gè)演化的世界。