  我们通过热力学第一定律了解了能量和能量守恒定律；热力学第三定律又告诉我们温度的本质是分子永不停息的运动，并且热力学温度永远不可能为零；我们今天像牛顿第二定律一样，探索热力学的动力学方程。所谓动力学方程就是运动和力之间的关系。对于热力学，运动就是温度的变化，力就是能量。 能量和温度之间有什么关系呢？我们先来再次认识一下能量和温度。能量是运动形式转换的量度，例如一个物体的降落，它的运动速度会越来越大，换言之，重力势能转换成了动能。温度就是分子永不停息的运动，也就是说，所有分子的运动状态如果改变，那么温度也会改变。分子的运动状态改变，温度也会随之改变，而运动状态的改变就是能量。现在你会感觉能量与温度这二者之间一定有某种必然的关系吧。 科学知识和科学知识的应用息息相关，每一次科学知识的进步都会带来技术的进步。自牛顿完成了人类历史上第一次科学知识大综合，关于科学知识的应用就随之而来，这就是第一次工业革命。第一次工业革命的核心就是蒸汽机的发明和使用，一种将蒸汽转换成推力的装置。第二次工业革命的核心是内燃机和电的广泛使用，前者是热力学知识的应用，后者是电动力学知识的应用。  科学很重要的一点是解决人们生活生产中的问题，反过来每一次问题的解决也带来科学的进步。当时人们面临的一个问题是：虽然内燃机极大地提高了人类的生产能力，但是内燃机的工作效率一直不高，也就是说，内燃机只能把一部分热量转换成功，很大部分其实白白浪费掉了。如何提高内燃机的转换效率成为科学家研究的课题。法国工程师卡诺经过研究得出了一个结论，这就是卡诺定理。 卡诺定理： ⑴在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关，与可逆循环的种类也无关。 ⑵在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。 卡诺定理是卡诺通过巧妙设计了一个理想可逆的卡诺循环推理出来的，所以叫做定理而不是定律。定理和定律很多情况下是等价的，但是它们有一个区别：定理是数学推理上得出的结论，定律是物理实验上得出的结论。卡诺定理到底告诉了我们啥？（1）热机最大效率只和其高温热源与低温热源的温度有关，与过程无关；（2）所有不可逆的热机，其效率都小于理想状态的可逆机。  德国物理学家克罗修斯和英国的开尔文仔细研究了卡诺定理后，意识到卡诺定理背后应该还有一个新的定理，这就是热力学第二定律。热力学第二定律有不同的表述方式，我们先来看看热力学第二定律的两种最经典的表述： 克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。 开尔文表述：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。 开尔文表述还可以表述成:第二类永动机不可能实现。 克罗修斯和开尔文发现了卡诺定理背后的信息，并且得出了各自的结论。其实这两种表述是完全等价的，换句话说，这两种表述说的是同一个道理。热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物体；可以把做功转变成热，但是不可以把热重新变成功而不产生其他影响。 开尔文的表述更是直接指出了第二类永动机的不可能性。所谓第二类永动机，是指某些人提出的例如制造一种从海水吸取热量，利用这些热量做功的机器。这种想法，并不违背能量守恒定律，因为它消耗海水的内能。大海是如此广阔，整个海水的温度只要降低一点点，释放出的热量就是天文数字，对于人类来说，海水是取之不尽、用之不竭的能量源泉，因此这类设想中的机器被称为第二类永动机。 热力学第二定律本质上在说：一切与热现象有关的过程都是不可逆的。热力学第二定律对于扩散、渗透、混合、燃烧、电热和磁滞等热力过程都是适用的。 发现物理现象具有方向性这是科学史上影响深远和意义重大的一件事。到目前为止，关于世界我们都知道了什么？牛顿第一定律告诉我们一切物体都有惯性（惰性）。热力学第一定律告诉我们所有的物体在永不停息地运动着，并且运动不可被消灭，只能从一种运动转换成另一种运动。现在热力学第二定律告诉我们，运动是有方向性的，而且这个方向性不可逆。  接下来我们要从微观粒子角度来认识热力学第二定律。我们知道一切物体都是由原子构成的，物体的宏观表现是由许许多多的微观粒子累计的效果。由此我们知道了所谓的温度就是所有分子的平均动能。那热力学第二定律是怎么回事？瑞士物理学家玻尔兹曼给我们做出了答案，这就是熵增原理。 熵增原理：在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。 这是一个根本的规律，所以它是原理。熵是什么？熵就是混乱度或者无序性。在具体的数学表达上，熵被定义为热量和温度的比值：S=Q/T。在自然过程中，一个孤立系统的熵在不断增加。换句话说，一切事物都在变得越来越混乱，一切事物都在变得越来越糟糕，任何事物最终都将走向毁灭。  在微观世界，所谓的热力学方向性就是大量粒子有规则运动倾向于向无规则运动转变，无序性增加。作功是大量分子的有规则运动，而热运动则是大量分子的无规则运动。显然无规则运动要变为有规则运动的几率极小，而有规则的运动变成无规则运动的几率大。一个不受外界影响的孤立系统，其内部自发的过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行，由此玻尔兹曼建立了一个数学公式——玻尔兹曼熵公式。 玻尔兹曼熵公式具体形式是：S=klnΩ。s表示系统的熵，k为玻尔兹曼常量，Ω是可能的微观状态数。这个公式把能量、温度、和微观状态数联系了起来，深刻揭示了事物的本质规律。玻尔兹曼熵公式和牛顿第二定律有异曲同工之妙。在牛顿第二定律那里，我希望大家能记住一个公式：F=ma。在热力学第二定律这里，我也希望大家可以记住一个公式，就是玻尔兹曼熵公式。 关于熵，它带给我们太多新的知识和疑问，大家感兴趣的可以自己去找资料阅读。例如负熵，香农的信息熵，耗散结构等等，这些都是熵带给我们知识上的拓展。熵也确实把能量和信息联系了起来。当然，人们对于熵和熵增原理有很多疑问，例如麦克斯韦就提出了麦克斯韦妖的概念，热量不是只能自发从较热的物体传到较冷的物体嘛，会不会有一种机制可以让热量从较低物体传到较热物体？
最后想说一点我关于能量和时间的思考。在物理上，能量和时间是紧密相关的。所谓的能量守恒定律，也就是说，物理规律在时间上是可逆的。一种运动形式变成另一种形式，这就是能量，这也是时间，因为时间也是事物发展顺序的量度。热力学第二定律限定了运动转变的方向，某种程度上也在说，时间是不可逆的。所以有人说，世界上只有一种时间，那就是热力学时间。 改变从惯性开始——牛顿第二定律 运动不灭、能量守恒——热力学第一定律 温度即分子永不停息的运动——热力学第三定律 |
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