通识物理：热力学第二定律简介

19 世纪，高效蒸汽机在人类社会生活的方方面面都有了广泛应用。但是，追求完美的物理学家们并不满足于现状，他们开始思考究竟要采取怎样的方法，才能将蒸汽机的工作效率提高到1。在这个过程中，有人提出：如果热量可以在高温物体和低温物体之间自由转移，就不仅可以制造出效率为1的热机，还可以制造出“第二类永动机”。这个想法的基本原理是：热量从高温热源流向低温热源，并在这个过程中做功；然后，又通过某种巧妙的设计，使得热量自动从低温热源流向高温热源，并再次通过高温热源向低温热源的热量流动而做功。从理论上看，这种热机似乎可以无限循环地运行，并在这过程中持续做功，所以这种热机的设想也属于“永动机”。在当时，由于这种永动机并不违反能量守恒定律，所以相比于“第一类永动机”，其对人们更具有诱惑性和迷惑性。其实，“第二类永动机”也有天生的理论漏洞，如图6.11所示，你可能对“热量自动从低温热源向高温热源流动”的观点不置可否，但你肯定无法接受“水自动从低水位向高水位流动”的想法。但遗憾的是，在当时虽然包括瓦特在内的很多工程师和科学家都为之付出了努力，但第二类永动机也从来没有实现过。

图6.11　第二类永动机

图6.12　热力学第二定律的克劳修斯表述

“第二类永动机”的关键在于热量的“流向”问题，热量在高温热源、低温热源间的流动是否自由？这个问题也是物理学家们争论的焦点。针对这个问题，两位科学家做出了合理的分析。首先，德国物理学家克劳修斯用水的流动来类比热量的流动，如图6.12 所示，他认为：热量从高温物体流向低温物体是自发的，是热力学方向；但如果要逆向流动，就必须发生点什么。就好比，水可以自发从高处流向低处，但如果要从低处逆流回高处，也必须发生点什么，比如使用抽水机做功或者由人来提水。但是，无论是使用抽水机还是人直接提水，都会消耗外界的能量，所以这种逆向过程要更加困难，并不能自由发生。当然，“不能自由发生”并非“不能发生”，如果要发生就总要“发生点什么”。由此，克劳修斯于1850 年总结道：“热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化”，这就是热力学第二定律的“克劳修斯表述”，其表明了热力学过程的“自发不可逆性”以及“可逆的前提”。(www.xing528.com)

1851 年，英国物理学家开尔文也对热力学方向的“不可逆性”做出了贡献，开尔文采用类比法将热机比作人，他发现：“热机从高温热源所吸收的热量并不能全部转化为有用功，总会有部分热量流到低温热源而损失掉。”如图6.13所示，就好比一个人吃了饭，无论他的品格多么高尚、身体多么强健，他也不可能只干活而不产生排泄物。由此，开尔文总结道：“不存在这样一种循环，只从单一热源吸收热量并全部转变为有用功而不产生其他影响”，这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。在这句表述中，“产生其他影响”指的就是热机总要向环境中排放一些剩余的热量，类比为人即为“上厕所”。热力学第二定律的“开尔文表述”具有重要的科学和历史意义，其不仅从热机的角度证实了热力学方向的不可逆性，同时还从根本上否认了“第二类永动机”的理论可能性。

图6.13　热力学第二定律的开尔文表述

热力学第二定律有关“克劳修斯表述”和“开尔文表述”的思想，也体现在著名武侠小说家金庸的作品《天龙八部》中。在这部小说中，有一位叫段誉的“小菜鸟”无意中学会了两种绝世武功：一种叫作“北冥神功”，可以吸取任意高手的内力，为己所用；而另一种则叫作“六脉神剑”，可以将内力以“气功剑”的形式发出伤人。在这里，我们可以尝试将“内力”理解为“热量”，那么段誉这个“小菜鸟”就可以看作“低温物体”，其他高手则应看作“高温物体”，而“北冥神功”吸取他人内力的过程就等效于通过热传导的方式来实现“热量传递”。显然，根据热力学第二定律的“克劳修斯表述”，热量从高温物体流向低温物体是自发的，所以段誉这个“小菜鸟”就能“顺理成章”地吸取高手的“内力”；不过，当段誉的内力增加得足够多的时候，他又必须小心了，因为这时他又将变为“高温物体”，如果想继续吸取“低温物体”的热量，这就是一个热力学方向的逆向过程，就必须“发生点什么”——即“做功”。或许正因为如此，小说中描述后来段誉在施展“北冥神功”时会“汗流浃背”，这大概就体现了逆向过程中“做功”的必要性。而对于段誉的另一种绝世武功“六脉神剑”，我们又可以理解为：将“热量（内力）”转化为“做功（气功剑）”，这时根据热力学第二定律的“开尔文表述”：热量不可能完全变为有用功而不产生其他影响。那么段誉在施展“六脉神剑”（做功）时，就必然会产生其他影响，也就是有部分内力（热量）会向低温的环境中散失掉。有趣的是，无论是否有心，金庸居然对这个物理细节也做出了较为准确的描述，小说中提到段誉在使出“六脉神剑”时，常常会“脸部通红，头顶冒气”，这大概就是说：内力（热量）除了以气功剑（做功）的形式发出，还会以发热（冒气）的形式散失到环境中。

总体上看，克劳修斯和开尔文的表述虽然有区别，但都说明热力学过程总有明确的方向，都能得出“非热力学方向不能自发进行”、“非热力学方向需要做功”以及“冷机或热机效率不能达到1”的结论。所以，虽然两人的文字表述略有区别，但在思想上却是相通的。也正因为这个原因，克劳修斯和开尔文的表述都可以称为热力学第二定律。