熱力學(xué)第二定律的建立

1、熱力學(xué)第二定律的建立1850年克勞修斯提出熱力學(xué)第二定律以后，至20世紀(jì)初，一直被作為與熱力學(xué)第一定 律并列的熱力學(xué)兩大基本定律，引起學(xué)術(shù)界特別是物理學(xué)界的極大重視。這兩個(gè)基本定律的 發(fā)現(xiàn)，使熱力學(xué)在19世紀(jì)50年代初時(shí)起，被看作近代物理學(xué)中的一個(gè)新興的學(xué)科，和物理 學(xué)家們極其熱衷的重要領(lǐng)域，得到物理學(xué)家和化學(xué)家們的關(guān)注。1、熱力學(xué)第二定律產(chǎn)生的歷史背景18世紀(jì)末惠更斯和巴本(Dents Papin，16471714)實(shí)驗(yàn)研究的燃?xì)馄?，塞維利 (Thomas Savery，16501715)于 1798 年制成的“礦工之友”，及紐可門(mén)(Newcomen Thomas， 16631729)于1

2、712年發(fā)明的“大氣機(jī)”等早期的蒸汽機(jī)，都是利用兩個(gè)不同溫度的熱源 (鍋爐和水)并使部分熱量耗散的方法使蒸汽機(jī)作功的，也可以說(shuō)不自覺(jué)地運(yùn)用熱力學(xué)第二 定律的思想，進(jìn)行設(shè)計(jì)的。瓦特改進(jìn)紐可門(mén)蒸汽機(jī)的關(guān)鍵，是以冷凝器取代大氣作為第二熱 源，因而使耗散的熱量大大降低。為了進(jìn)一步減少熱的耗散量和提高熱效率與功率，18世 紀(jì)末和19世紀(jì)40年代又先后研制成中低壓和高低壓二級(jí)膨脹式蒸汽機(jī)。熱機(jī)的整個(gè)發(fā)展史 說(shuō)明，它的熱效率可以不斷提高和耗散的熱量可以逐漸減少。但是，熱機(jī)的熱效率至今雖然 逐漸有所提高，但耗散的熱量永遠(yuǎn)也不可能消除。因此，卡諾的可逆循環(huán)只可趨近而永遠(yuǎn)也 無(wú)法達(dá)到。這就提出了一個(gè)十分重要的問(wèn)題

3、，就是卡諾提出的“在蒸汽機(jī)內(nèi)，動(dòng)力的產(chǎn)生不 是由于熱質(zhì)的實(shí)際消耗，而是由熱體傳到冷體，也就是重新建立了平衡”的論斷中，最后的 話是不正確的，這不僅因?yàn)樗嘈艧豳|(zhì)說(shuō)引起的，而且因?yàn)樵跓o(wú)數(shù)事實(shí)中，這種熱平衡在一 個(gè)實(shí)際熱機(jī)中是不可達(dá)到的。事實(shí)說(shuō)明，機(jī)械功可以完全轉(zhuǎn)化為熱，但在不引起其他變化的 條件下，熱卻不可能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。人們?cè)O(shè)想，如果出現(xiàn)一個(gè)制成這樣永動(dòng)機(jī)的先例，即一個(gè)孤立熱力學(xué)系統(tǒng)會(huì)從低溫?zé)?源取熱而永恒地做功，那么大地和海洋幾乎可以作為無(wú)盡的低溫?zé)嵩?，做功將是取之不盡的。 事實(shí)上這與熱力學(xué)原理相矛盾的，這就意味著可能有一個(gè)新的熱力學(xué)基本定律在起著作用。 綜上可見(jiàn)，雖然有的事件是不違背熱

4、力學(xué)第一定律的但也不可能發(fā)生；這就有待于熱力學(xué)第 二定律的發(fā)現(xiàn)?？ㄖZ曾經(jīng)指出“單只是提供熱量，并不足以產(chǎn)生推動(dòng)力，必須還有冷，沒(méi)有冷，熱將 是無(wú)用的”?？ㄖZ承認(rèn)這樣的事實(shí)，當(dāng)水與A體接觸時(shí)，變成了蒸汽，蒸汽與B體接觸時(shí)又 變冷了，但是若要恢復(fù)原來(lái)的溫度，就必須再同A體接觸，這就需要?jiǎng)恿?。這說(shuō)明在前一 過(guò)程中損失了動(dòng)力，它自身要完成這個(gè)反向的過(guò)程是不可能的。因此，卡諾得出：“使用于 提高液體溫度的熱質(zhì)再回到A體中，是不可能的”。一般認(rèn)為，這是卡諾意識(shí)到熱力學(xué)第二 定律的思想萌芽。在卡諾之后，克拉貝龍、邁爾、焦耳和亥姆霍茲等基本上都是沿著卡諾的 理想熱機(jī)可逆循環(huán)的思路，探討熱功轉(zhuǎn)化和等當(dāng)關(guān)系，而忽

5、視了卡諾提出熱從冷體向熱體傳 遞的不可能性的啟示。究其原因，或者由于這個(gè)普遍存在的現(xiàn)象的理論價(jià)值不大，或者認(rèn)為 從理論上予以處理在當(dāng)時(shí)是太困難了而回避過(guò)去。在卡諾的不可能從冷體向熱體傳熱做功的 思想啟發(fā)下，幾位理論物理學(xué)家從不同的方向，各自獨(dú)立地探討了熱功轉(zhuǎn)化過(guò)程中吸收的熱 量大于做功需要的熱量，及從冷體向熱體自發(fā)傳熱作功的不可能性。他們認(rèn)為這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)熱 力學(xué)第一定律是無(wú)能為力的，必須從其內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系中揭示一個(gè)新的基本定律，這就是熱 力學(xué)第二定律。2、克勞修斯對(duì)熱力學(xué)第二定律的研究克勞修斯是最早提出了熱力學(xué)第二定律的。1850年4月12日，克勞修斯發(fā)表的論熱 的動(dòng)力和可由此推導(dǎo)熱學(xué)本身的定律

6、論文中，首先肯定了前人在這方面做出的一些嘗試?？藙谛匏官澩瑹嶂▌?dòng)說(shuō)觀點(diǎn)，他根據(jù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的很多事實(shí)說(shuō)明：“熱并不是一種物質(zhì)，而 是存在于物體的最小粒子的一種運(yùn)動(dòng)”。從熱之唯動(dòng)說(shuō)出發(fā)，克勞修斯批判了卡諾從熱質(zhì)說(shuō)出發(fā)得出的熱功轉(zhuǎn)化過(guò)程中并未損 失熱而只是熱質(zhì)在傳遞過(guò)程中總數(shù)不變?？藙谛匏拐J(rèn)為應(yīng)當(dāng)從熱是一種運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)進(jìn)行論 證，只有這樣才能得到合理的征明和反駁卡諾從熱質(zhì)觀點(diǎn)得出的結(jié)論。他聲稱(chēng)，人們不應(yīng)當(dāng) 被這些困難嚇倒，也不認(rèn)為問(wèn)題會(huì)有那么嚴(yán)重，只要從把熱質(zhì)說(shuō)轉(zhuǎn)變?yōu)闊嶂▌?dòng)說(shuō)出發(fā)，把 通常的思考方式改變一下，就會(huì)發(fā)現(xiàn)與任何事實(shí)并不矛盾?？藙谛匏乖谒恼撐闹兄v述到，從卡諾的熱轉(zhuǎn)化為當(dāng)量的功時(shí)的“熱量并

7、不減少”與他 的熱力學(xué)第一定律矛盾出發(fā)，認(rèn)為堅(jiān)持這個(gè)提法，勢(shì)必把問(wèn)題搞亂，因而探討建立熱力學(xué)第 二定律的必要性和可能性。克勞修斯通過(guò)一個(gè)假想實(shí)驗(yàn)，得出與上述卡諾說(shuō)法相背離的結(jié)論， 這個(gè)假想實(shí)驗(yàn)就是設(shè)想有兩種物質(zhì)，在一般的熱量轉(zhuǎn)化條件下，一種比另一種會(huì)產(chǎn)生較多的 功；或產(chǎn)生既定數(shù)量的功時(shí)一種比另一種由A物向B物傳遞較少的熱量。如果交替地應(yīng)用 這兩種氣體于正向和逆向過(guò)程中，使前者將熱轉(zhuǎn)化為功，使后者再將功轉(zhuǎn)化為熱，在這循環(huán) 結(jié)束后，兩種氣體都又處于其原來(lái)的狀態(tài)。由于產(chǎn)生和消耗的功正好抵消，則按熱力學(xué)第一定律，總熱量既未增加也未減少。但是， 從B物傳給A物的熱量，比A物傳給B物的熱量要多，結(jié)果形成總

8、體上從B物傳遞熱量給 A物。所以，此種交替使用兩種不同氣體傳遞熱量的過(guò)程反復(fù)無(wú)限地進(jìn)行下去，就會(huì)在不需 任何力消耗或發(fā)生其他變化的條件下，可以把任意多的熱量從低溫物體傳遞給高溫物體。但 是，這顯然與熱傳遞的性質(zhì)和無(wú)數(shù)的經(jīng)驗(yàn)矛盾，這種經(jīng)驗(yàn)就是熱量傳遞的普遍趨向是從高溫 物體傳到低溫物體并使二者的溫差消失。因此，他保留卡諾說(shuō)法的前一部分，發(fā)展成熱力學(xué) 第一定律，再修改其第二部分，變“熱量并不減少”為熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞到低 溫物體，而不是自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，形成熱力學(xué)第二定律。所以，馬赫在熱 學(xué)原理一書(shū)中，指出這個(gè)問(wèn)題解決的清晰性不是通過(guò)實(shí)驗(yàn)完成的，而是“通過(guò)對(duì)不同理論 的歷史

9、觀點(diǎn)的謹(jǐn)慎批評(píng)；這種批評(píng)和修正，我們應(yīng)歸功于克勞修斯”。熱力學(xué)第二定律在經(jīng) 過(guò)上述基本概念的突破之后，才被克勞修斯、開(kāi)爾文勛爵從不同的角度提出了各自的說(shuō)法和 論證。在論熱的動(dòng)力和可由此推導(dǎo)熱學(xué)本身的定律的第二部分中，克勞修斯得出熱力學(xué) 第二定律的表述：“在沒(méi)有任何力消耗或其他變化的情況下，把任意多的熱量從低溫物體傳 遞到高溫物體是和熱的慣常行為矛盾的”。克勞修斯對(duì)熱力學(xué)第二定律的明確表述，即至今所說(shuō)的克勞修斯表述，是他于1854年 在物理和化學(xué)年鑒上發(fā)表的論機(jī)械熱理論第二基本定律的一個(gè)改變形式論文中提出 的。他對(duì)熱力學(xué)第二定律的表述改變?yōu)椋骸盁岵豢赡苡傻蜏匚矬w傳遞到高溫物體，如果不因 而同時(shí)引

10、起其他關(guān)系的變化”。在這個(gè)表述中，他用“如果不因而同時(shí)引起其他關(guān)系的變化”， 概括并取代了 1850年論文中的“在沒(méi)有任何力消耗或其他變化情況下”，并且以反語(yǔ)序取代 正語(yǔ)序。這種用“關(guān)系”一詞概括了各種力、功和能量等的方法，清楚明確，因而在后來(lái)被 長(zhǎng)期采用并廣泛流行。熱力學(xué)第二定律的這種表述或說(shuō)法特別強(qiáng)調(diào)了從低溫物體傳遞到高溫 物體傳遞問(wèn)題，對(duì)熱傳導(dǎo)的方向具有十分重要的意義。并且，為了運(yùn)用公式表示這個(gè)定律， 必須用正負(fù)號(hào)表示熱傳遞的方向。為此，他規(guī)定“內(nèi)功變?yōu)闊岷陀筛邷剞D(zhuǎn)變到低溫作為正向 變化”，其代數(shù)符號(hào)為正，反之為負(fù)。他進(jìn)而根據(jù)卡諾提出的命題：“熱的動(dòng)力與參與完成工 作的介質(zhì)無(wú)關(guān)，其數(shù)量?jī)H

11、由傳遞熱量的物體之間的溫度所決定”，提出了低溫物體傳遞到高 溫物體之間各種熱傳導(dǎo)情況都適用的和僅由低溫物體傳遞到高溫物體的溫度決定的狀態(tài)函 數(shù)F（tt2），他稱(chēng)之為“二溫度的等函數(shù)。為了使不可逆循環(huán)中熱量和功及溫度之間的關(guān) 系在數(shù)學(xué)上易于處理，他將過(guò)程分為無(wú)數(shù)小的過(guò)程，他稱(chēng)之為“簡(jiǎn)單的循環(huán)過(guò)程”。每一小過(guò)程可作為可逆循環(huán)處理，其終端和始端的溫度變化可認(rèn)為趨近于0,于是，它們傳遞的熱 量和溫度之比可以用Q1/T1，Q2/T2，Qn/Tn表示。對(duì)于整個(gè)過(guò)程，可用N=Q/T近似地表示，如寫(xiě)成微積分表示式，則為：N =dQT ；他指出，此式對(duì)于可逆循環(huán)應(yīng)為0。r dQ c所以：t=o ；這就是在可逆循

12、環(huán)情況下，熱力學(xué)第二定律的表示式。在這篇論文中，克勞修斯沒(méi)有給出J Q的物理概念和名稱(chēng)，只是給出一個(gè)新的狀態(tài)函 數(shù)的表示式。從上述推導(dǎo)中可以看出，他把可逆循環(huán)時(shí)的表示式J岑 =0，看作是普遍情 況下的N= J孚 的特殊情況。1865年4月，克勞修斯在關(guān)于機(jī)械熱理論的主要方程的各種應(yīng)用的方便形式論文 中提出J岑的物理概念是一個(gè)與變化途徑無(wú)關(guān)的狀態(tài)函數(shù)，并用ds = 岑表示。他認(rèn)為既 然S和熱力學(xué)第一定律中的能量概念等當(dāng)，都是狀態(tài)函數(shù)，它就應(yīng)表示物體的熱轉(zhuǎn)變含量。 為了給以定名，他根據(jù)S的物理意義與“能”有相近的親緣關(guān)系，在字形上也應(yīng)當(dāng)接近才 好。為此，克勞修斯在1865年4月的論文中把S命名為“

13、熵”。在這篇論文中，克勞修斯提出了熱力學(xué)第二定律的普遍表示式為：J冬 0；他指出 等號(hào)適用于可逆循環(huán)，不等號(hào)適用于不可逆過(guò)程。從這個(gè)不等式可以看出，熱力學(xué)第二定律 說(shuō)明熵具有方向性，如果用 S表示熵，則上式的J岑可按循環(huán)的正反過(guò)程寫(xiě)成： Jp+ 0 ；根據(jù)熵的定義：S - S =Jpg，則S - s，頊 ；如果循環(huán)為 P T P T0 P T0 P T000絕熱過(guò)程，則Q=0，所以：SS030。此式說(shuō)明，絕熱過(guò)程中熵增加。它對(duì)于平衡態(tài)的初 終狀態(tài)是正確的。對(duì)于非平衡態(tài)的初終狀態(tài)，在將它們分成無(wú)數(shù)小部分，并近似地認(rèn)為每個(gè) 小部分處于平衡態(tài)時(shí)，熵增原理仍然是正確的。1875年他又在熱的動(dòng)力理論論文

14、中提出他的熱力學(xué)第二定律的、更精練的說(shuō)法：“熱 不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體”或“熱從低溫物體傳遞到高溫物體不可能無(wú)補(bǔ)償 地發(fā)生”。這前一個(gè)說(shuō)法就是至今廣泛引用的標(biāo)準(zhǔn)的“克勞修斯表述”，但是嚴(yán)格地說(shuō)，這個(gè) 說(shuō)法似乎不如他在1854年提出的說(shuō)法更嚴(yán)格而深刻。因?yàn)槟莻€(gè)說(shuō)法中“如果不因而同時(shí)引 起其他關(guān)系的變化”比“自發(fā)地”更清楚明確。他在文中進(jìn)而指出，他的1854年論文只考 慮了可逆循環(huán)情況下的熱力學(xué)第二定律表示式，因?yàn)樗呛鼙阌诒磉_(dá)的。顯然，我們可以看 出，當(dāng)時(shí)他對(duì)于不可逆循環(huán)這種普遍情況的表示式應(yīng)為一個(gè)不等式，還未觸及甚至未認(rèn)識(shí)到， 因?yàn)檫@種情況在數(shù)學(xué)上如何解決，一直是像開(kāi)爾文等這樣的

15、理論物理學(xué)家感到困難的問(wèn)題， 那時(shí)，克勞修斯可能還不具備這樣的知識(shí)基礎(chǔ)。在1875年的論文中提到不可逆過(guò)程的數(shù)學(xué) 表示式。他認(rèn)為J岑 W0的發(fā)現(xiàn)，“完成了第二基本定律的數(shù)學(xué)表述”，并把這個(gè)定律的“補(bǔ) 償”說(shuō)法改為“無(wú)補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)變必然是正向的”。從克勞修斯在25年間所寫(xiě)的重要的熱力學(xué)奠基性論文中，可以看出他對(duì)熱力學(xué)第二定 律的表述方法不斷修改，并從不同角度提出幾種說(shuō)法，才終于形成著名的“克勞修斯表述”。 他在此定律的數(shù)學(xué)表示式方面，從可逆循環(huán)著手發(fā)展到不可逆循環(huán)，由特殊情況的等式dQdQdQ（s=t =。）發(fā)展為普遍性的不等式（s=t W0），并把二作為狀態(tài)函數(shù)提出來(lái)， 定名為熵。熵概念的出現(xiàn)，在

16、熱力學(xué)甚至整個(gè)自然科學(xué)的發(fā)展上，具有很重要的意義。3、熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述對(duì)于熱力學(xué)第二定律的發(fā)現(xiàn)做出另一個(gè)重要貢獻(xiàn)的，是開(kāi)爾文勛爵提出的“開(kāi)爾文表 述”。開(kāi)爾文勛爵用焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)和雷諾對(duì)蒸汽性質(zhì)的觀察，重新審查了卡諾定理后， 在他的論熱的動(dòng)力學(xué)理論手稿修改過(guò)程中，采用了焦耳提出熱是一種粒子的運(yùn)動(dòng)而不是 物質(zhì)的思想時(shí)形成的。他在1856年發(fā)表的論動(dòng)力的起源和轉(zhuǎn)變論文中，談到他提出熱 力學(xué)第二定律的“開(kāi)爾文表述”的出發(fā)點(diǎn)和想法時(shí)，曾經(jīng)明確說(shuō)明：應(yīng)該注意，熱體 給出的熱量并不象它得到的熱量那樣多（卡諾指出，如果熱是物質(zhì)，這物質(zhì)將會(huì)是一樣多）， 而卻像焦耳主張的，給出的與機(jī)械功相當(dāng)?shù)臒崃?/p>

17、，少于它得到的熱量。以此去修改卡諾理論， 使它適應(yīng)這個(gè)暗示的真理。并且，它們的最大差異是它只能導(dǎo)致所說(shuō)的可逆和不可逆的動(dòng)力 轉(zhuǎn)變”。他后來(lái)的這種追述，說(shuō)明他在從熱質(zhì)說(shuō)向熱之唯動(dòng)說(shuō)轉(zhuǎn)變后，才認(rèn)識(shí)到熱與功相互 轉(zhuǎn)化過(guò)程中，實(shí)際上不是卡諾所說(shuō)的可逆循環(huán)，而是一種不可逆循環(huán)。這個(gè)觀念上的突破， 使他得出一種新的永動(dòng)機(jī)概念，和這種永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。因此，他提出克勞修斯的證 明賴以成立的基礎(chǔ)定理：“不借助外部動(dòng)因?qū)釓囊坏蜏匚矬w傳遞到另一高溫物體，制成一 個(gè)自動(dòng)機(jī)是不可能的”。開(kāi)爾文所說(shuō)的“自動(dòng)機(jī)”（Selfactins machine）就是后來(lái)所說(shuō)的永 動(dòng)機(jī)或“第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)”（第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不需要能

18、量就可對(duì)外作功，違背熱力學(xué)第一定律 的機(jī)器）。開(kāi)爾文勛爵在1851年發(fā)表的這篇論文中根據(jù)卡諾定理及克勞修斯的說(shuō)法，提出了他的 命題：“如果一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)是這樣的，它運(yùn)動(dòng)的每一部分的物理的和機(jī)械的作用全是可逆的， 則它能用同一溫度的熱源和同一溫度的冷凝器，以既定的熱量產(chǎn)生像任何熱機(jī)能產(chǎn)生的、同 樣多的機(jī)械效應(yīng)”。他認(rèn)為這個(gè)命題的證明，是建立在下面的定理的基礎(chǔ)上：“不可能由非生 命物的作用，將物質(zhì)冷卻到比周?chē)罾涞臇|西還要低的溫度的方法，使物質(zhì)的任何部分產(chǎn)生 機(jī)械效應(yīng)”。接著他注釋說(shuō)：“如果這個(gè)定理被在一切溫度條件下否定，則必須承認(rèn)一臺(tái)永動(dòng) 機(jī)可以開(kāi)始工作，并且可以用冷卻海洋和大地的方法產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)。

19、但是，從大地和海洋， 或?qū)嶋H上從整個(gè)物質(zhì)世界產(chǎn)生的總熱量損失是無(wú)限的”.從開(kāi)爾文勛爵提出的這個(gè)定理和注 釋可以看出，他用公認(rèn)的事實(shí)否定了第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)的空想，提出了他對(duì)熱力學(xué)第二定律的新 表述（即開(kāi)爾文表述）。我們知道，今天各種熱力學(xué)教科書(shū)中介紹的熱力學(xué)第二定律的“開(kāi) 爾文表述”是：“不可能從單一熱源取熱使之完會(huì)變?yōu)橛杏玫墓?，而不產(chǎn)生其他影響?！标P(guān)于 這個(gè)說(shuō)法的來(lái)源，我們至今還沒(méi)有從開(kāi)爾文勛爵的后來(lái)著作中查到。但可以想見(jiàn)，這是從他 提出的這個(gè)定律中演化而來(lái)的。開(kāi)爾文勛爵提出的“開(kāi)爾文表述”，被評(píng)價(jià)為19世紀(jì)最重要 的突破之一。4 “熱寂困境開(kāi)爾文勛爵和克勞修斯進(jìn)一步發(fā)揮了他們自己的思想，并把這個(gè)

20、定律推廣到整個(gè)宇宙。 既然任何自發(fā)的過(guò)程，它的熵都要增加；最終達(dá)到最大值，使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱平衡。那么全 宇宙的熵是否也在不斷地增加。從而最終達(dá)到最大值，使整個(gè)宇宙實(shí)現(xiàn)熱平衡呢？1852年，開(kāi)爾文勛爵從他所提出的原理得出結(jié)論：“在自然界中占統(tǒng)治地位的趨向是其 他能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔⑹固幪帨囟融呌谄胶?，最終導(dǎo)致所有物體的工作能力減小到零”。1867 年，克勞修斯再次指出：“宇宙越接近于其熵為一最大值的極限狀態(tài)，它繼續(xù)發(fā)生變化的機(jī) 會(huì)就越減少，而如果最后完全達(dá)到了這個(gè)狀態(tài)，那末也就去會(huì)再出現(xiàn)進(jìn)一步的變化，宇宙就 將處于一個(gè)死寂的永遠(yuǎn)狀態(tài)?！边@就是“宇宙熱寂說(shuō)?！备鶕?jù)這一思想，他把熱的動(dòng)力理論的兩個(gè)基本定

21、律概括為：“宇宙的能量恒定不變，宇宙的熵趨于一個(gè)極大值。”熱力學(xué)第二定律預(yù)言：人類(lèi)社會(huì)連同整個(gè)宇宙都不能免于“熱寂”；宇宙將進(jìn)入了一個(gè) 熱死狀態(tài)。不再有熱流動(dòng)，不再有變化，不再有時(shí)間，萬(wàn)物之末日也就降臨。這幾乎是立之 有據(jù)地從科學(xué)的角度對(duì)上帝提出了最后的審判。這一觀念在一百多年前的歐洲引起了巨大的 震動(dòng)。因此，熱力學(xué)第二定律被視為人類(lèi)墜落的“淵藪”。正是這一觀念帶來(lái)了一種宇宙熱 死亡的憂郁幽靈。英國(guó)詩(shī)人史文朋(18371909)曾這樣描述過(guò)熱寂：不論是星星還是太陽(yáng) 將不再升起，到處是一片黑暗；沒(méi)有溪流的潺潺聲，沒(méi)有聲音，沒(méi)有景色，既沒(méi)有春天的嫩 芽，沒(méi)有白天，也沒(méi)有勞動(dòng)的歡樂(lè)；在那永恒的黑夜里

22、，只有沒(méi)有盡頭的夢(mèng)境。5、對(duì)“熵增原理”的挑剔“熱寂說(shuō)”引起了一些物理學(xué)家的異議，熱力學(xué)第二定律所預(yù)言的不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展和 演化，使宇宙萬(wàn)物發(fā)展的總趨勢(shì)經(jīng)歷著從復(fù)雜到簡(jiǎn)單，從有序到無(wú)序，從非平衡到熱平衡的 過(guò)程。而當(dāng)時(shí)正處達(dá)爾文(C. R. Darwin，18091882)進(jìn)化論風(fēng)行于世，從生物進(jìn)化的 角度來(lái)講，不論是生物、人類(lèi)、還是人類(lèi)社會(huì)，都在經(jīng)歷著從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的趨向進(jìn)化；這一 截然相反的結(jié)論，促使科學(xué)家們紛紛絞盡腦汁去挑剔熱力學(xué)第二定律的破綻，麥克斯韋妖的 假設(shè)即是一個(gè)最著名的例證。圖5-8為麥克斯韋小精靈可以讓快分子跑向B讓慢分子跑向A1871年，英國(guó)著物理學(xué)家麥克斯韋(J. C. Ma

23、xwell，18311879)，在他的熱的理 論一書(shū)中提出了一種可能破壞熱力學(xué)第二定律的假想的“精靈”； 他在該書(shū)中假設(shè)：在一個(gè)封閉的溫度和壓強(qiáng)處處均勻的系統(tǒng)內(nèi)，按照 熱力學(xué)第二定律，在不消耗功的情況下，要產(chǎn)生任何溫度或壓強(qiáng)的不 均等都是不可能的。但是，如果有一種能辨別分子速度大小的妖精， 它能在容器內(nèi)設(shè)置的把系統(tǒng)分隔為兩部分的壁上操縱一個(gè)“閥門(mén)”， 只允許速度快的分子從A部跑到B部，允許慢的分子從B部跑到A 部，這就最終可能在不消耗功的條件下使B部的溫度高于A部，從而 熱量有可能自動(dòng)地從低溫物體傳到高溫物體；這就是著名的“麥克斯 韋妖”?！胞溈怂鬼f妖”能否存在？為回答這個(gè)問(wèn)題，我們先分析一下這個(gè)“小妖”應(yīng)具有哪些 特性，然后再逐一討論這種特性存在的可能性。開(kāi)爾文曾評(píng)論說(shuō)：“妖的含義，根據(jù)麥克斯 韋對(duì)這個(gè)詞的用法，是一個(gè)有理智的存在物。它具有自由意志和非常靈敏的觸覺(jué)，以及感