坤鵬論:你可以不懂物理但不能不明白熱力學定律!

2023年12月5日發(作者：狗扯羊皮)

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坤鵬論：你可以不懂物理但不能不明白熱力學定律！

很多知識，之所以不懂，是因為我們沒有學人家的語言，另外，很多時候，不是你看不懂，而是你沒耐心！——坤鵬論

不管是復雜性科學的混沌，還是《從自然界的未解之謎到流動里面的人生哲理》所說的湍流等概念，它們背后都暗含著一個現象——從有序到無序、混亂。

這個現象不得不讓人想起了——熵。

有人說，人文知識分子如果不懂熵，就好像科學家未讀過莎士比亞一樣令人遺憾。

熵，是一個極其重要的物理量，但卻又以其難懂聞名于世。

英國作家史諾還曾這樣說道：“這個定律（熱力學第二定律）是一個最深刻、最普遍的定律。它有著自身憂郁的美，像所有重要的科學定律一樣，引起人們的崇敬之情。”

清華大學科學史系首席主任吳國盛表示：“如果物理學只能留一條定律，我會留熵增定律。”

坤鵬論在較為系統地學習了其入門知識后，也深刻地體會到了，為什么很多人對熵增定律推崇備至，甚至有種頓悟的暢快。

因為，它已經突破了熱力學界限，揭示了宇宙級的規律。

同時，再回頭看自己以前文章中對熵的介紹，真的太淺薄了，羞愧難當！ 所以，這次的系統學習和分享，也是坤鵬論的補課。

為了能夠學的、思考的、寫的透徹、深入些，本周的文章將對這個話題展開拆成幾篇來分享。

一、關于熱力學你必須懂的幾個名詞

你怎么了？再見！”這些最簡單的話，你也聽不懂。

其中的道理很簡單，你不知道人家的語言符號組合規律，俗稱不懂人家的語言。

語言，不僅指各個國家、各個民族所使用的交流符號，還包括各種學科的專用語言。

因此，在開始下面的內容前，坤鵬論先普遍幾個與文章相關的熱力學基礎名詞。

懂了，起碼你能大致聽明白熱力學行話在講什么。

就像你不會某種外語，就算使用該語言的人說，“你好！你是誰？當然，這部分，也可以先不讀，等后面遇到了，再回來對照理解。

讀第一遍不理解，別急，慢慢地多讀幾遍，基本都能明白。

很多時候，不是你看不懂，而是你沒耐心！

再加上人性中“錯都是別人”的認識主導，慢慢就變成了不學無術了。

1.系統

它指的是熱力學研究的對象。

還被稱為熱力系、熱力系統。

熱力學的系統是由大量微觀粒子組成，并與其周圍環境以任意方式相互作用著的宏觀客體。 系統，不僅是宏觀的，而且是有限的。

2.界面與環境（外界）

在熱力學中，系統與環境之間的界限稱為分界面。

分界可以是真實的或虛擬的 ，固定的或移動的。

與系統通過分界相隔開，并與系統密切相關的周圍部分，一般稱之為環境，或者系統的外界，或直接簡稱為外界。

3.熱

也就是熱量，由于系統與環境之間的溫度差而傳遞的能量。

4.功

如果一個物體受到力的作用，并在力的方向上發生了一段位移，物理學就說這個力對物體做了功。

功，也叫機械功。

功，是物理學中力對物體作用的空間積累的物理量。

功，是力和力在力的方向上通過位移的乘積，也就是其大小等于力與其作用點位移的乘積。

功，是能量轉化的度量。

國際單位為焦耳。

功，這個詞是法國數學家賈斯帕-古斯塔夫·科里奧利創造的。

除熱以外而傳遞的能量統稱為功，具體有膨脹功、技術功、流動功、體積功、非體積功等很多概念。

5.做功和熱傳遞

它們的實質分別是能量的轉化和能量的轉移。

“功”字拆開，就是兩個字：”工＋力”。

所以，在力學中，可以把做功的過程，理解成力在工作的過程。

比如：從能量的角度來看，手機的工作過程，就是將電能轉化為其他形式能量的過程。

所以，從能量的角度來看，力的工作過程，就是使物體上不同形式的能量發生轉化的過程。

在力做功的過程中，功與能量轉化間的數量關系是：力所做的功的數量＝能量轉化的數量。

而熱傳遞是熱能由一個物體轉移到另一個物體。

6.工質

工作物質的簡寫。

實現熱能和機械能相互轉化的媒介物質稱為工質。

依靠它在熱機中的狀態變化（如膨脹）才能獲得功。

而做功通過工質才能傳遞熱。

7.絕熱

一個物體的邊界如果沒有任何形式的傳熱方式，則被定義為絕熱。

絕熱，是在和環境之間沒有熱量交換或者沒有質量交換的情況下，一個系統的狀態的變化。

絕熱，是保溫與保冷的統稱。

絕熱過程，則指任一氣體與外界無熱量交換時的狀態變化過程。 8.熱機

它指各種利用內能做功的機械。

也就是，將燃料的化學能，轉化成內能，再轉化成機械能的機器動力機械。

比如：蒸汽機、汽輪機、燃氣輪機、內燃機、噴氣發動機。

熱機通常以氣體作為工質，利用氣體受熱膨脹對外做功。

讓我們以蒸汽機為例說明一下：

第一步：鍋爐中的水受到高溫熱能加熱，變為蒸汽；

第二步：蒸汽進入到過熱器中繼續加熱，變為高溫高壓的蒸汽；

第三步：高溫高壓的蒸汽進入汽缸中絕熱膨脹，推動活塞對外做功；

第四步：做功之后出來的低壓蒸汽進入冷凝器，向低溫熱源放熱，冷凝為水；

第五步：水重新進入鍋爐加熱，周而復始。

熱能的來源主要有燃料燃燒產生的熱能、原子能、太陽能和地熱等。

熱機在人類生活中發揮著重要的作用。

現代化的交通運輸工具都靠它提供動力。

9.平衡態

它指在沒有外界影響的條件下，熱力學系統的各部分宏觀性質長時間里不發生變化的狀態。

這里所說的沒有外界影響，是指系統與外界沒有相互作用，既無物質交換，又無能量傳遞（做功和傳熱），也就是系統是孤立系統。

這里有個理解的重點就是，物理中平衡和穩定是兩個不同的概念，在某些系統中兩者可以并存不悖。

下面會提到，當熵逐漸增大，雖然系統變得越來越混亂無序，但是這種結構卻更穩定，當熵到極大值后，系統就處在了平衡態。

10.內能

現在叫熱力學能，過去長期叫內能。

它的數學符號為U，是系統內各種形式能量的總和。

比如：系統中分子的動能（分子運動包括平動、轉動和振動三種形式）、分子內電子運動的能量、原子核內的能量分子間作用能等，難以勝數。

隨人類認識的深化，不斷發現新的能量形式。

但有一點是肯定的，任何系統在一定狀態下內能是一定的，因而熱力學能是狀態函數。

二、永動機1.0

很久很久以前，人們為了滿足生產對于動力日益增多的要求，就開始試圖制造所謂的永動機。

它不需要任何動力和燃料，卻能永久地運行下去。

相信我們小時候也曾做過相同的夢想吧。 如果真有永動機，人類除了吃喝拉撒需要自己付出氣力外，其他事情都可以交給它了。

科學家、發明家往往都是夢想家，他們很快就掀起了設計永動機的熱潮，并大多利用力矩、浮力與水力等原理。

起碼在1775年法國科學院宣布不再接受審查關于永動機的發明前，許多人熱衷此道。

阿基米德原理、毛細現象、重力的作用等統統搬出來助陣，一架架永動機模型令人心潮澎湃。

就連達·芬奇、焦耳等大師都曾一度沉迷永動機。

15世紀90年代，達·芬奇用了28頁筆記研究制造永動機的可能性。

“每一種運動都試圖保持原有的狀態，或者，只要物體啟動時所獲得的沖力保持不變，每個運動物體都將一直運動下去。”

他認為，如果能消除阻礙物體運動的所有外力，那么物體有可能處于永動狀態。

他對水力永動機尤其感興趣。

在一個設計中，達·芬奇設想用水流轉動一種被稱作阿基米德螺旋泵的螺旋管。

這種螺旋管在轉動時可以將水向上輸送，然后水流下去的時候又會轉動螺旋管。

不過，他對一個問題產生了質疑：水流下去的時候，能否驅動螺旋泵向上輸送足夠多的水，讓這個循環一直進行下去呢？

最后，他得出了既明確又正確的結論，這絕無可能。

“流下去的水永遠不可能從它最初的水位提升起與自身重量相等的水。” 但是，由此達·芬奇發現了摩擦力，意識到阻礙永動的原因是摩擦，一個系統和外界摩擦時，會不可避免地損失動量。

他還發現了摩擦力的三個決定因素之間的關系：物體的重量、斜面的平滑或粗糙程度，以及斜面的坡度。

這些都屬于人類重要的科學發現，但是，達·芬奇從未發表過它們。

大約200年后，法國的科學儀器制造者紀堯姆·阿蒙東才再次發現了這些定律。

總的來說，歷史已經告訴我們，所有永動機的實踐都以失敗告終，不管是多大的科技大腕。

三、熱力學的先行者和奠基人

人類科學大部分是拾級而上，長江后浪推前浪，后人踩著前人的肩膀前進，科學技術更是如此。

但是，人類世界，第一個點燃火炬的先行者，總是籍籍無名，或者沒有得到公正的評價。

“古來圣賢皆寂寞，唯有飲者留其名。”

這在坤鵬論前面講過的哲學界、科學界自古以來都是個普遍現象。

就像人們總是追捧英雄，卻忘記了更偉大的應該是，那些不讓意外發生的默默無聞的守護者。 熱力學同樣也有這樣一個人，他的名字叫薩迪·卡諾，法國工程師。

蒸汽機使人類擺脫了以人力和畜力為主要動力的時代，進入到火熱的工業社會。

19世紀初，工業革命前期，蒸汽機幾乎成為主要的動力來源，它從英倫三島，很快普及到了西歐和北美。

但是，當時蒸汽機的使用效率比較低，一般只能利用能量的5%~8%，再加上其笨重等弱點，阻礙了廣泛應用。 通過前面的學習，工業革命是基于試錯法和一心想改進工廠生產力及利潤的熟練工匠，在實踐基礎上的經驗性發展。

于是，科學家和工程師開始將探索的目光投向了理論，試圖從根本上研究蒸汽機的效率。

也因此，人類科學中誕生了熱力學。

1824年，卡諾才28歲，在效率這個問題上，他一下子抓住了事物的本質，寫了《關于火的動力及專門產生這種動力的機器的見解》小冊子。

他提出，熱機中，不僅以消耗能量為代價，也與熱量從熱的物體向冷的物體的傳遞有關。

所以，沒有冷的物體，熱量就不能被利用：

“單獨提供熱不足以給出推動力，必須還要有冷。沒有冷，熱將是無用的。”

這辯證法，剛剛的，實踐出真知呀！

就像沒有落差，水力無法利用一樣。

卡諾敏銳地注意到，一個蒸汽機所產生的機械功，在原則上有賴于鍋爐和冷凝器之間的溫度差。

他用科技抽象的方法，建立了理想化的模型——“卡諾熱機”。

這個“卡諾熱機”原則上提出了提高熱機效率的正確途徑：提高高低溫熱源間的溫度差，并使工作過程盡可能接近于可逆（可逆循環）熱機。

可逆循環，用現代的術語來說，是熵保持不變的循環。

這個老厲害了！

現在不懂？

沒關系，等你看完這個系列文章后就會明白，卡諾有多牛。

所以，后世稱之為“卡諾循環”。

尤其重要的是，“卡諾定理”清晰地指出了：“熱動力與用來產生它的工作物質無關，它的量唯一地，由在它們之間產生效力的物體（熱源）的溫度來確定，最后還與熱質的輸運量有關。”

也就是說，熱機的熱效率與工作物質無關，僅取決于兩個熱源的溫度差。

注：卡諾后來受到了菲涅耳的影響，菲涅耳認為，光和熱是一組相似的現象，既然光是物質粒子振動的結果，那么熱也應當是物質粒子振動的結果，是物質的一種運動形式，而不是什么虛無縹緲沒有質量的東西。此后，他拋棄了熱質學說。

這已經開始隱隱顯現了自然界規律的熱力學定律。

不幸的是，1832年6月，卡諾得了猩紅熱，不久后轉為腦炎，他的身體受了致命的打擊。

更不幸的是，后來他又染上了流行性霍亂，于同年8月24日離開人間。

當時，他年僅36歲。

這就叫天妒英才吧！

也因為是霍亂，所以許多文稿和他的遺體一起埋葬。

直到1878年，其部分遺稿才被發表。

這些遺稿充分證明了，卡諾已經認識到了熱與功具有當量關系，計算出熱功當量為3.7焦耳/卡，比焦耳的工作超前將近20年。

這等于他已經走到了能量守恒定律的邊緣。

如果上天再給他些時間，他極可能成為能量守恒定律（熱力學第一定律）以及后來的熱力學第二定律的共同締造者。

甚至會讓這些定律提早許多年被發現。

為什么這么說？

熱與功具有當量關系，這個就是熱力學第一定律的核心。

而熱機的熱效率僅取決于兩個熱源的溫度差，這則是熱力學第二定律的核心。

并且，熱力學第二定律的兩位締造者——克勞修斯和開爾文，確實都受到了卡諾的啟發。

在卡諾去世兩年后，他的小冊子才獲得了第一個認真的讀者——克拉珀龍。

他是巴黎理工學院的畢業生，只比卡諾低幾個年級。

1834年，他在學院出版的雜志上發表了題為《論熱的動力》的論文，用P－V曲線翻譯了卡諾循環。

遺憾的是，同樣未引起學術界的注意。

時間一晃到了1844年，英國青年物理學家開爾文在法國學習時，偶爾讀到克拉珀龍的文章，才知道有卡諾的熱機理論。

他如獲至寶，欣喜萬分，為此，找遍了法國各家圖書館和書店，都無法找到卡諾的1824年論著。

后來，他在1848年發表了論文，標題就為《建立在卡諾熱動力理論基礎上的絕對溫標》，主要根據克拉珀龍介紹的卡諾理論來寫的。

1849年，開爾文終于弄到一本他盼望已久的卡諾著作。

再后來，德國物理學家克勞修斯又通過克拉珀龍和開爾文的論文熟悉了卡諾理論。

這些事實表明，在1824年至1878年間，卡諾的熱機理論一直沒有得到廣泛傳播。

卡諾生前的好友羅貝林在法國《百科評論》雜志上曾經這樣寫道：“卡諾孤獨地生活、凄涼地死去，他的著作無人閱讀，無人承認。”

卡諾理論為熱機的改進提供了必要的理論基礎，比如：

首先，既然熱機效率和工作物質沒有關系，只取決于兩個熱源的溫度差。

兩個熱源中，低溫熱源溫度相當于環境溫度，這個改變不易，那么，關鍵就是提高高溫熱源的溫度。

其次，絕熱系統中，工作物質的溫度降低是其體積膨脹引起的，采用增大缸體或提高飽滿度的方法就可以實現。

這導致了后來二級膨脹式蒸汽機的發明和改進，其各項性能指標 都取得了顯著效應。

再次，還可以放棄蒸汽作為工作物質，盡可能采取接近于理想的氣體……

空氣最接近理想氣體，如果用空氣作工作物質，冷卻速度一定比水蒸氣快。

卡諾預言了以空氣為工作物質的熱機，以及將燃氣與空氣混合物壓縮打火的內燃機。

1852年，瑞典發明家埃里克森進一步將卡諾的預言付諸于實踐，實現了高效蒸汽機：熱空氣推動活塞的新型熱機。

而卡諾所預言的內燃機，又是戴姆勒于1885年制成的汽油機，以及狄賽爾于1897年制成的柴油機的先導。

20世紀，蒸汽機的效率雖然已經提高到了15%，但汽油內燃機的效率早已達到了40%。

而利用燃燒高熱燃料直接驅動的燃氣渦輪機，燃氣溫度高達1400℃，效率接近50%。

四、能量守恒定律＝熱力學第一定律

坤鵬論在《牛！他既是近代哲學之父 又是近代科學的始祖》中講過，十六世紀的笛卡爾早早就提出了：

物質的運動不可能來自物質本身，所以，這個世界上有著第一推動者，他就是上帝。

上帝賦予物質世界的運動的總量會永遠保持平衡。

這是人類對能量守恒定律的首次預言！

一直到了十九世紀，在蒸汽機進一步發展的前提下，科學家們對熱與機械相互轉化著了迷。

他們，通過熱力學的研究得出了“熱力學第一定律”，也就是能量守恒定律。

在這些科學家中，最著名的有三位——邁爾、焦耳和亥姆霍茲。 邁爾，被稱為天才的發現者，他并沒有經過物理學的正規訓練，其實是一位自然博物學家。

但是，他思維敏捷、視野廣闊、善于總結。

正是他，1824年，具體地論述了機械能、熱能、化學能、電磁能、輻射能之間的相互轉化。

正是他，最早勾畫出了能量守恒定律的主要輪廓。

焦耳，一位孜孜不倦的實驗物理學家，1850年，通過精確測量熱功當量，奠定了能量守恒定律的實驗基礎，證明了該定律的正確性。

亥姆霍茲，生物物理學家、數學家，一生研究領域廣泛，除了物理，在生理光學和聲學、數學、哲學等方面都作出過重大貢獻。

正是他給出了能量守恒定律明確的數學表述。

而他是從永動機不可能實現的這個事實入手，通過研究發現能量守恒定律。

1847年，他在德國物理學會發表了關于力的守恒演講，第一次以數學方式提出能量守恒定律。

在該演講中，他還提出了一切科學都可以歸結到力學。

他討論了已知的力學的、熱學的、電學的、化學的各種科學成果，嚴謹地論證了各種運動中能量守恒定律。

這次講演內容后來寫成被專著《力之守恒》出版。

正是以他們為代表的科學家，在1842年~1847年確定了能量守恒定律。

能量守恒定律是19世紀人類物理學確立的最偉大概括。

它指的是，一個封閉（孤立）系統里面的總能量保持不變。 能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，只會從一種形式轉化為另一種形式。

或者從一個物體轉移到其它物體，而能量的總量保持不變。

能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。

它是貫穿于物理、化學和生物系統所經歷的各種各樣的變化之中的能量守恒。

物理學自此進入到了成熟期。

用熱力學的語言表達的能量守恒定律就是熱力學第一定律，具體表述的關鍵，在于引入一個新的熱力學態函數：

U?－U?＝Q－W

其中：

U代表內能，U?和U?指內能的兩種狀態，它們相差得出內能差。

Q代表系統與外界交換的熱量，當熱量注入系統，Q取正號。

W表示對外做的功。

如果經歷一個循環，回到初態，那么Q＝W。

如果系統不從環境（外界）吸收熱量，就不可能對外做功。

這就從根本上否定了永動機1.0的設想！

本文由“坤鵬論”原創，轉載請保留本信息

坤鵬論

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