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热学

2012-11-13  误入城市
热学的发展包括热力学和统计物理两部分,它一开始虽然不象力学一般从数学中演绎出一套完美严格的体系,但于生产发展,社会进步却起过重要的作用,从第一次科技革命的代表--蒸汽机便可见一斑。
   早在1695年法国人丹尼斯?巴本就制造出世界上第一台活塞似蒸汽机,他的设计思想很是新颖,汽缸中加热产生蒸汽,推动活塞上升到顶端,然后汽缸降温,活塞又被推回,于是装置就运转起来。
   此后的蒸汽机种类繁多,但究其原理也与此类似。作出重大改进的是英国的瓦特,他于1782年制出单动式蒸汽机,并随后改进为双冲程式,蒸汽机的效率大大提高,并被广泛运用于各行各业,从此瓦特的名字就和蒸汽机紧紧联在一起。
   瓦特,巴本等人都是第一等的大发明家,工程师,却都算不上是物理学家。热学建立之初便和工程运用方面联系得极紧,这固与热学中不需要力学那般复杂的数学工具有关,但研究热学的物理学家们大多重视实验现象,忽视哲学的思辩也是一大失策,譬如荒谬的热质说就作为热学的根本前后统治达两百年之久便是明证。至于在如此脆弱的根基上居然演绎出很多成功的热学定理,甚至总结出震烁古今的第一哲学思想--能量守恒定律,却当真匪夷所思。
   整个热力学是建立在三大定律的基础之上的,如同牛顿三定律是牛顿力学的核心一般。第一定律就是能量的转化和守恒定律,这不仅限于热学领域,而是贯穿于整个物理学中。最早用实验证明热学中的热量和力学中的功等效的是英国物理学家焦耳。
   焦耳出生于曼彻斯特,原本是位酿酒师,后来在著名化学家道尔顿的引导下走上了科学的道路。他在实验方面颇有天赋,几乎是一点便会,一会便精,二十出头就在电学中观察到电流产生的热量和电流强度的平方、电阻成正比的焦耳定律而扬名一时,然而自此这位年青人就沉寂下去,因为他花了足足三十年的工夫才测定热功当量的数值,奠定了能量守恒的基础。
   能量守恒定律意义的重要性在当时而言,其哲学上的意义远较物理为胜。哲学家尽可以欢天喜地地拿去引证自然界事物的运动形式总是不断转化的观点,而物理学家只不过简化了一些复杂问题的求解过程。
   真正令人大开眼界的是二十世纪的相对论诞生之后,爱因斯坦著名的质能方程 显示出质量和能量的转换关系,原来各自独立的能量守恒和质量守恒也合二为一。此后数学中的群论引入物理学之后,寻找守恒定律便成了第一要务,今后物理学还会有什么进展,很大程度上取决于是否能找到类似能量,动量之类的守恒量。
   热力学第一定律无情的击碎了"永动机"的梦想。人类自古以来就渴望制出一种不需要额外提供能量又能永远转动下去的机器,但一直也未成功,反倒弄出了无数闹剧。
   最有名的是欧洲的一个人号称制出了永动机,其装置并不复杂,不过是一个轮轴上悬挂了几个金属球,偏偏这个轮轴当真一转起来就不休不停,而且每转一圈还可以从井中提出一小桶水来。稍具物理知识的人便可知此事绝不可能,但也一时看不出其作弊的手段。这个人口才了得,在他的鼓动之下,居然带着永动机游历整个欧洲,每到一国还受到王室的接见,甚至还曾取得专利。后来他的仆人间拌嘴才泄露了天机,原来永动机的下面有个暗箱,只须有人藏匿其中转动发条即可。
   第一定律明确指出了能量是不能凭空产生的,但有些才智之士又突发奇想,第一定律不是指出能量和热量可以相互转换么,那好,我们可以从一个高温物体不断吸收出热量并转换成机械能做功,这不也是一种永动机么,何况于第一定律并不矛盾呀。
   其实当蒸汽机不断完善的时候人们就发现出这一个问题,无论怎么润滑机件,减小摩擦,蒸汽机的效率提高到一定值之后就怎么也上不去了,换句话说高温物体释放的热量绝对不能完全转化成机械能,这倒不能简单地推诿于摩擦,即便是摩擦力为零的情况也是如此,解决这个问题就需要用到热力学第二定律。
   著名的物理学家克劳修斯提出的第二定理的表述是:不可能从单一物体吸收热量并把热量完全转化为机械能,另一位物理学家开尔闻勋爵的说法更是简单明了:不能把热量从低温物体逆传到高温物体,后来证明这两种说法都是等同的。
   随后克劳修斯便引入了熵的概念,从而第二定律又获得了第三种解释:熵增加原理,即在封闭的外部热量无法传入的情况下,体系的熵值只会朝增加的方向移动。
   所谓熵值乃是表现体系的无序程度的物理量,熵值越大,体系便越是混乱离散。熵这个词在当今除了物理和化学等寥寥学科之外,很少再有人提及了,但在19世纪的欧洲的上层社会的交谈中,你若不装腔作势地拼出这个字音来会被人视为鄙陋的。
   起因还在克劳修斯,他得出熵增加的结论之后马上就推广到宇宙空间,整个宇宙不也可视为一个封闭系统么,那么宇宙的前景是可想而知的,熵值无限增加,最后到一个极大值,此后宇宙各处的温度都等同了起来,便处于一种永恒的死寂状态。他写下这篇论文时的笔调很是忧郁,似乎宇宙的末日并不为远。
   克劳修斯的文章震动了整个社会,当时西方各国的社会正处于上升的黄金阶段,机械大工业已初见端倪,粗大的烟囱林立城市,满载的航船游曳大洋,老百姓的生活日益富足,人人都正在想如何把此等天堂一般的日子承继下去,孰料一盆冷水突然迎面泼来。
   末世的到来圣经里不是没有,那也只是触怒上帝的报复,再说那时人们已大多倾信于科学,于天主的警告未必放在心上,然而正是科学家作出这等惨淡的预言,不由得不信,一般小民未必会在意这世界的结局如何,但哲学家们却非要争出个是非不可,受其影响,那个时期的文学也是悲观主义盛行一时,无病呻吟的诗歌也处处可见,神学家又得意地站了出来"如何,末日终有到来之日,这可是上帝的惩罚,还不投入天主的怀抱,请求宽恕?"
   实际上宇宙的热寂说本不足为信,第二定律简单地推广到整个宇宙空间未必适用,何况我们还无法说出宇宙的边界究竟是怎样的情况。至于那些耗散到太空去的热究竟到哪里去了,究竟又是怎样集结起来的,这期间牵涉到怎样的能量转化过程,当时的人们只能含混其词"上帝自有他的道理"。这须得到二十世纪的新宇宙学发展之后,才能给出答案。
   热力学第三定理最简单的表述是:绝对零度可以无限接近,但永远都不能真正达到。我们知道,物理学家开尔文曾经制定过一套热力学温标,与摄氏温标和华氏温标不同的是,它规定的世界上的最低温度是绝对零度,换顺换算成摄氏温度是-273.16度。
   第三定律是在对低温进行时由德国的物理化学家能斯脱提出的,沿着这条路走下去到二十世纪低温物理学便发展成物理学中门类最是庞大的一支--凝聚态物理,八十年代红极一时的超导也是系出此门。
   热学的另一支统计力学走的与热力学全然不是一条路,它是建立在分子运动论和数学上一大分支概率论基础之上的。
   分子学说自从古希腊的德谟克里特以来沉寂了千年之久,直到近世才被大化学家道尔顿从故纸堆中翻了出来,而概率论来历更是古怪,最初居然是大数学家傅立叶从赌场中获得的灵感。这样的两种理论结合在一起,又没有很强的实验来支撑,人们原来是不抱什么希望的。孰料天下尽多蹊跷之事,统计力学轻易就推导出热力学三大定律,而且前提只有一条:承认每个分子在各种不同的物理状态中是等几率分布的。
   这样一来热力学给出的是宏观上的现象,统计力学解释的是微观上的机理,二者实是殊途同归。其实统计力学最大的意义并不在于把热学重新解释了一遍,而是第一次把概率论的观点引入了物理学中,这在二十世纪物理学的革命中起了极端重要的作用,到今天每个物理学家都能真切地认识到:我们这个世界是建立在概率基础上的。

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