第570章 熱力學四大定律！永動機真的存在嗎

  第570章 熱力學四大定律！永動機真的存在嗎？熵增定律！熱寂宇宙！

  熱力學一共有四大定律。

  

  這四大定律是整個熱力學的核心和基礎。

  世間的一切熱現象都可以用它們解釋。

  第零定律由盧瑟福的女婿福勒提出。

  「如果兩個熱力學系統均與第三個系統處於熱平衡狀態，則此兩個系統也必將互相處於熱平衡。」

  第零定律很符合人類的直覺，類似於數學上的x=z，y=z，則x=y。

  沒什麼好說的。

  第一定律經過了焦耳、卡諾等數位物理大佬才最終被完善。

  「物體內能的增加等於物體吸收的熱量和對物體所做的功的總和。」

  不過它還有一個更經典的表述方式：

  「熱量可以從一個物體轉移到另一個物體，並可以與機械能等其它形式的能量相互轉換。」

  「但在轉換的過程中，能量的總值保持不變。」

  將熱力學第一定律推廣到所有能量後，就形成了大名鼎鼎的「能量守恆定律」。

  能量守恆定律是經過了長期的生產實踐和大量的科學實驗，最終才得以確立。

  它是一條公理性質的定理，而且也非常符合人類的直覺。

  能量守恆定律自從提出之後，經受了無數的挑戰，最終屹立不倒。

  哪怕是相對論和量子力學也顛覆不了這個定律。

  熱力學第三定律是由能斯特單人提出。

  「不可能通過有限的步驟，使得物體的溫度達到絕對零度。」

  該定律的一個推論是，在絕對零度下，任何物體的熵變化等於零。

  因為此刻組成物體的所有原子已經停止振動了。

  注意，這裡不要把零點能代入進來。

  按理來說，哪怕在絕對零度下，粒子依然有微小的振動，具有的能量就是零點能。

  但是它不被考慮在傳統的溫度定義當中。

  後世很多人會納悶，宇宙中既然有絕對零度-15℃這樣的最低溫度，那有沒有最高溫度呢？

  嘿，還真有！

  那就是普朗克溫度，大約是4×10K。

  它是宇宙大爆炸的瞬間，所有物質和能量集中在一個點內所形成的溫度。

  這是一個無法想像的高溫。

  要知道，太陽的核心溫度也才1500萬K。

  而人類目前能製造的最高溫度是約5萬億K，離普朗克溫度差的太遠。

  第零、第一、第三定律，從誕生之日起，都沒經歷過什麼波瀾。

  因為這三大定律都非常符合人們的樸素感受。

  只不過物理學家們用物理學的語言把它們以定律的方式表述出來，形成嚴密的邏輯。

  哪怕是第一定律，雖然也有人質疑，但是無數次的實驗都證明了其正確性。

  這反而使得它更加深入人心。

  而且，這三大定律在普通人中的知名度不高，很多人都沒有聽說過。

  但是，熱力學第二定律就完全不同了。

  它應該是四大定律中最為著名的定律了。

  在後世，第二定律是無數民科大神群雄爭霸的戰場。

  無數天馬行空的想像力在此碰撞，好不熱鬧。

  而熱力學第二定律之所以會引起這麼多的關注，一切都因為三個字：永動機！

  永動機分為兩種：第一類永動機和第二類永動機。

  第一類永動機是指在不消耗能量的情況下，機器持續做功。

  這顯然違背了熱力學第一定律。

  「又要馬兒跑，又要馬兒不吃草。」

  這怎麼可能嘛，與人們的常識就不相符。

  比如達文西就曾設計過一個經典的永動機。

  一個輪子裡有很多金屬小球，其中右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠。

  那麼，在兩邊重力不均衡的情況下，輪子就會一直轉動。

  很顯然，這是不可能實現的。

  因為達文西沒有考慮到摩擦損耗的問題。

  摩擦消耗的能量也是系統的一部分。

  因此，第一類永動機很好識破，而且很快就沒有人再研究了。

  但是第二類永動機就不同了。

  首先，它是符合熱力學第一定律的。

  其次，它雖然違反了熱力學第二定律，但是第二類永動機本身非常具有迷惑性。

  第二類永動機是指機器從單一熱源吸收熱量，並且全部轉換成功。

  乍一看，這似乎沒什麼問題啊。

  第二類永動機完全符合能量守恆定律，只不過熱功轉換效率是100%而已。

  雖然這個效率確實太高太完美了，自然界很難見到。

  但很難並不意味著沒有。

  比如，正反物質湮滅的效率也是100%啊。

  這說明宇宙並不禁止轉換率100%的行為。

  因此，很多人都在追求第二類永動機。

  他們認為現在造不出來只是技術沒達標，以後肯定能實現。

  19世紀當時的人們也是這樣想的。

  很多人甚至物理學家都希望推翻第二定律。

  因為一旦推翻，就意味著實現第二類永動機成為可能！

  人類將獲得永不枯竭的能源！

  這是何等令人心潮澎湃的偉大突破啊！

  在後世，有人做過測算。

  地球表面共有10億立方米的海水。

  以海水為單一熱源，哪怕僅僅把海水的溫度降低25℃。

  那麼放出的熱量轉換成的電能，將足夠人類使用一千年。

  這還要啥核聚變啊！

  跑步進入

  因此，當李奇維提出「熱力學第二定律一定正確嗎？」的疑問時。

  所有人都震撼了。

  「哦！上帝啊！布魯斯教授不會是想推翻第二定律吧？」

  「這真的可能嗎？」

  「課本上說的很明確，熱力學第二定律也經過了很多實驗驗證，應該不可能錯吧？」

  「有什麼不可能，牛頓力學都被布魯斯教授推翻了，第二定律又怎麼了！」

  「」

  眾多學生興奮不已，議論紛紛。

  在他們心中，布魯斯教授提出任何理論都不足為奇。

  顛覆區區熱力學定律，不在話下！

  奧本海默、汪德昭等天才們也神色激動。

  雖然他們內心認為第二定律不可能被打破。

  畢竟它已經經受住那麼多的實驗了。

  但畢竟是那個男人啊！

  對方就是奇蹟的代名詞！

  然而，郎之萬、德布羅意等大佬們卻相視一笑。

  「布魯斯教授肯定又在詐這幫學生了。」

  「他應該是想藉此提出麥克斯韋妖這個第三神獸吧。」

  「它到現在都還沒被解決呢。」

  大佬們果然沒有猜錯。

  在眾人的期待下，李奇維笑著說道：

  「我並不是第一個發出疑問的人。」

  「在我之前，已經有很多物理大佬都產生過這樣的質疑。」

  「因為熱力學第二定律太重要了。」

  「它的內涵也太豐富了。」

  「況且，它還和很多人心心念念的永動機相關。」

  「在座的你們，估計大部分人並沒有真正理解熱力學第二定律。」

  「今天借這個機會，我正好給你們講一講。」

  「第二定理是參與物理學家人數最多，表述也最為複雜的熱力學定律。」

  「第一種表述，也叫克勞修斯表述。」

  「即：熱量不可能自發地、不付出代價地從低溫物體轉移至高溫物體。」

  「這是從熱的傳導方向來表述的。」

  「比如，大家都喜歡的冰箱就是這個原理。」

  「你想製冷，那麼就必須使用額外的電能，把熱量從低溫的冰箱內部轉移到高溫的冰箱外部。」

  「克勞修斯表述和我們的日常經驗很符合。」

  「比如一杯涼開水放在那裡，它不可能越變越熱，只會越變越涼，最終和環境溫度一樣。」

  「第二種表述，叫開爾文表述。」

  「即：不可能從單一熱源取熱，把它全部變為功而不產生其它影響。」

  「這是從能量消耗的角度表述的。」

  「開爾文表述也說明了第二類永動機是永遠不可能實現的。」

  「因為吸收的熱量不可能全部變為功。」

  「注意，這個表述並非是嚴格的理論推導，而是在大量實驗基礎上得到的經驗性公理。」

  「卡諾發明提出的熱機效率理論，是其堅實的基礎。」

  「但正因為開爾文表述是在實驗基礎上發展而來的公理，所以很多人就認為它不一定完全正確。」

  「這就是第二類永動機目前盛行的原因。」

  「誰能發明第二類永動機，誰就推翻了熱力學第二定律。」

  嘩！

  台下眾人眼神火熱。

  這個時代，熱力學第二定律的正確性並不像後世那麼根深蒂固，無人質疑。

  哪怕在學術領域，也存在不少質疑。

  「克勞修斯表述和開爾文表述是等價的，都代表了熱力學第二定律的內涵。」

  「這時，估計有人好奇。」

  「咦，不是說麥克斯韋妖是和熱力學第二定律有關嗎？」

  「怎麼兩大表述中沒有出現麥克斯韋的身影呢？」

  「別急。」

  「這裡，就要提到熱力學領域另一個至關重要的概念：熵。」

  「在我看來，一位對熵一無所知的人文學者，和一位對莎士比亞一無所知的科學家同樣糟糕。」

  「熵理論對於整個科學來說，或許都是第一法則！」

  嘩！

  眾人震撼！

  他們想不明白，布魯斯教授為何對熵有如此之高的評價。

  「1865年，克勞修斯在研究熱力學的時候，發現了一個新的宏觀狀態函數。」

  「他用公式表示為dS=dQ/T。」

  「其中，T表示系統的溫度，dS表示系統的熵變化，dQ表示系統熵變過程中的熱量變化。」

  「這個公式表示，如果系統的溫度不變，那麼加入系統的熱量會導致系統的熵發生改變。」

  「接著，克勞修斯突發奇想，他把熵的概念和熱力學第二定律聯繫起來。」

  「通過嚴密的數學推導，他得出第二定律的另一種表述形式：dS≥dQ/T。」

  「即，從熵的角度看，所有自發的熱力學過程，都是不可逆的。」

  「什麼是可逆和不可逆呢？」

  「如果一個系統從狀態A出發，經過一個過程B，最後變成狀態C。」

  「這時，如果存在另一個過程B+，它能使得系統從狀態C變回狀態A，並且消除其它一切影響。」

  「那麼，我們就能說B是可逆過程。」

  「否則，B就是不可逆過程。」

  「按照克勞修斯的公式，大量粒子組成的熱力學系統所經歷的任何過程都是不可逆的。」

  「舉個剛剛說過的例子。」

  「把一滴墨水滴入一杯清水中。」

  「那麼，你能在不產生其它任何影響的情況下，把墨水和清水分離嗎？」

  「顯然，這是不可能的。」

  「因為這是一個不可逆的過程。」

  「有人說：不對，我有辦法。」

  「如果我有足夠的能量和時間，能不能把墨水分子一個個找出來。」

  「可惜，這是不行的，因為這耗費了能量，產生了其它影響。」

  「類似的例子還有很多，比如破鏡重圓等等。」

  「克勞修斯提出的熵概念，極大地拓展了熱力學的內涵。」

  「它使得物理學家可以從另一個角度來思考熱的傳遞過程。」

  「緊接著，玻爾茲曼又從微觀的角度重新定義了熵的該概念。」

  「他認為熵是體系混亂程度的度量。」

  「對於由大量氣體分子組成的系統而言，熵就表示了系統內分子的混亂程度。」

  「玻爾茲曼首次將系統的熵和概率聯繫在一起，闡述了熱力學第二定律的統計性質。」

  「這就是大名鼎鼎的玻爾茲曼分布。」

  「而玻爾茲曼分布的基礎就是麥克斯韋曾提出的微觀粒子速度分布律。」

  「在克勞修斯和玻爾茲曼的基礎上，熱力學第二定律有了新的稱呼：熵增定律。」

  「熱量的傳遞和做功，統統轉化為系統熵的變化。」

  嘩！

  此刻眾學生聽的如痴如醉。

  雖然他們都學習過熱力學。

  但從來沒有像今天這樣，一位大佬抽絲剝繭般給他們分析熱力學四大定律的來龍去脈。

  尤其是熱力學第二定律，原來這麼複雜！

  此刻，李奇維繼續說道：

  「關於熵增定律的表述有很多種。」

  「其中一個經典的版本為：一個孤立的熱力學系統，它的熵永不減少。」

  「所謂的孤立系統，是指與外界既沒有物質交換也沒有能量交換的系統。」

  「可以說，熵增定律在誕生的開始，就受到了所有人的不喜和質疑。」

  「因為如果它是正確的，那麼就意味著我們的宇宙將走向熱寂。」

  「因為熵增定律的一個推論是系統達到平衡態時熵最大。」

  「如果把宇宙看成一個孤立系統，那麼它的結局就是達到混亂程度最大的狀態。」

  嘩！

  眾人忽然感受到一種冰冷的寒意。

  仿佛是有一條真理在暗中安排著所有人的命運。

  「然而，就在這時，麥克斯韋站了出來！」

  （還有更新耶）