第570章 热力学四大定律！永动机真的存在吗

    第570章 热力学四大定律！永动机真的存在吗？熵增定律！热寂宇宙！
    热力学一共有四大定律。
    这四大定律是整个热力学的核心和基础。
    世间的一切热现象都可以用它们解释。
    第零定律由卢瑟福的女婿福勒提出。
    “如果两个热力学系统均与第三个系统处于热平衡状态，则此两个系统也必将互相处于热平衡。”
    第零定律很符合人类的直觉，类似于数学上的x=z，y=z，则x=y。
    没什么好说的。
    第一定律经过了焦耳、卡诺等数位物理大佬才最终被完善。
    “物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所做的功的总和。”
    不过它还有一个更经典的表述方式：
    “热量可以从一个物体转移到另一个物体，并可以与机械能等其它形式的能量相互转换。”
    “但在转换的过程中，能量的总值保持不变。”
    将热力学第一定律推广到所有能量后，就形成了大名鼎鼎的“能量守恒定律”。
    能量守恒定律是经过了长期的生产实践和大量的科学实验，最终才得以确立。
    它是一条公理性质的定理，而且也非常符合人类的直觉。
    能量守恒定律自从提出之后，经受了无数的挑战，最终屹立不倒。
    哪怕是相对论和量子力学也颠覆不了这个定律。
    热力学第三定律是由能斯特单人提出。
    “不可能通过有限的步骤，使得物体的温度达到绝对零度。”
    该定律的一个推论是，在绝对零度下，任何物体的熵变化等于零。
    因为此刻组成物体的所有原子已经停止振动了。
    注意，这里不要把零点能代入进来。
    按理来说，哪怕在绝对零度下，粒子依然有微小的振动，具有的能量就是零点能。
    但是它不被考虑在传统的温度定义当中。
    后世很多人会纳闷，宇宙中既然有绝对零度-273.15c这样的最低温度，那有没有最高温度呢？
    嘿，还真有！
    那就是普朗克温度，大约是1.4x10k。
    它是宇宙大爆炸的瞬间，所有物质和能量集中在一个点内所形成的温度。
    这是一个无法想象的高温。
    要知道，太阳的核心温度也才1500万k。
    而人类目前能制造的最高温度是约5万亿k，离普朗克温度差的太远。
    第零、第一、第三定律，从诞生之日起，都没经历过什么波澜。
    因为这三大定律都非常符合人们的朴素感受。
    只不过物理学家们用物理学的语言把它们以定律的方式表述出来，形成严密的逻辑。
    哪怕是第一定律，虽然也有人质疑，但是无数次的实验都证明了其正确性。
    这反而使得它更加深入人心。
    而且，这三大定律在普通人中的知名度不高，很多人都没有听说过。
    但是，热力学第二定律就完全不同了。
    它应该是四大定律中最为著名的定律了。
    在后世，第二定律是无数民科大神群雄争霸的战场。
    无数天马行空的想象力在此碰撞，好不热闹。
    而热力学第二定律之所以会引起这么多的关注，一切都因为三个字：永动机！
    永动机分为两种：第一类永动机和第二类永动机。
    第一类永动机是指在不消耗能量的情况下，机器持续做功。
    这显然违背了热力学第一定律。
    “又要马儿跑，又要马儿不吃草。”
    这怎么可能嘛，与人们的常识就不相符。
    比如达芬奇就曾设计过一个经典的永动机。
    一个轮子里有很多金属小球，其中右边的重球比左边的重球离轮心更远。
    那么，在两边重力不均衡的情况下，轮子就会一直转动。
    很显然，这是不可能实现的。
    因为达芬奇没有考虑到摩擦损耗的问题。
    摩擦消耗的能量也是系统的一部分。
    因此，第一类永动机很好识破，而且很快就没有人再研究了。
    但是第二类永动机就不同了。
    首先，它是符合热力学第一定律的。
    其次，它虽然违反了热力学第二定律，但是第二类永动机本身非常具有迷惑性。
    第二类永动机是指机器从单一热源吸收热量，并且全部转换成功。
    乍一看，这似乎没什么问题啊。
    第二类永动机完全符合能量守恒定律，只不过热功转换效率是100%而已。
    虽然这个效率确实太高太完美了，自然界很难见到。
    但很难并不意味着没有。
    比如，正反物质湮灭的效率也是100%啊。
    这说明宇宙并不禁止转换率100%的行为。
    因此，很多人都在追求第二类永动机。
    他们认为现在造不出来只是技术没达标，以后肯定能实现。
    19世纪当时的人们也是这样想的。
    很多人甚至物理学家都希望推翻第二定律。
    因为一旦推翻，就意味着实现第二类永动机成为可能！
    人类将获得永不枯竭的能源！
    这是何等令人心潮澎湃的伟大突破啊！
    在后世，有人做过测算。
    地球表面共有10亿立方米的海水。
    以海水为单一热源，哪怕仅仅把海水的温度降低0.25c。
    那么放出的热量转换成的电能，将足够人类使用一千年。
    这还要啥核聚变啊！
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    因此，当李奇维提出“热力学第二定律一定正确吗？”的疑问时。
    所有人都震撼了。
    “哦！上帝啊！布鲁斯教授不会是想推翻第二定律吧？”
    “这真的可能吗？”
    “课本上说的很明确，热力学第二定律也经过了很多实验验证，应该不可能错吧？”
    “有什么不可能，牛顿力学都被布鲁斯教授推翻了，第二定律又怎么了！”
    “.”
    众多学生兴奋不已，议论纷纷。
    在他们心中，布鲁斯教授提出任何理论都不足为奇。
    颠覆区区热力学定律，不在话下！
    奥本海默、汪德昭等天才们也神色激动。
    虽然他们内心认为第二定律不可能被打破。
    毕竟它已经经受住那么多的实验了。
    但毕竟是那个男人啊！
    对方就是奇迹的代名词！
    然而，郎之万、德布罗意等大佬们却相视一笑。
    “布鲁斯教授肯定又在诈这帮学生了。”
    “他应该是想借此提出麦克斯韦妖这个第三神兽吧。”
    “它到现在都还没被解决呢。”
    大佬们果然没有猜错。
    在众人的期待下，李奇维笑着说道：
    “我并不是第一个发出疑问的人。”
    “在我之前，已经有很多物理大佬都产生过这样的质疑。”
    “因为热力学第二定律太重要了。”
    “它的内涵也太丰富了。”
    “况且，它还和很多人心心念念的永动机相关。”
    “在座的你们，估计大部分人并没有真正理解热力学第二定律。”
    “今天借这个机会，我正好给你们讲一讲。”
    “第二定理是参与物理学家人数最多，表述也最为复杂的热力学定律。”
    “第一种表述，也叫克劳修斯表述。”
    “即：热量不可能自发地、不付出代价地从低温物体转移至高温物体。”
    “这是从热的传导方向来表述的。”
    “比如，大家都喜欢的冰箱就是这个原理。”
    “你想制冷，那么就必须使用额外的电能，把热量从低温的冰箱内部转移到高温的冰箱外部。”
    “克劳修斯表述和我们的日常经验很符合。”
    “比如一杯凉开水放在那里，它不可能越变越热，只会越变越凉，最终和环境温度一样。”
    “第二种表述，叫开尔文表述。”
    “即：不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其它影响。”
    “这是从能量消耗的角度表述的。”
    “开尔文表述也说明了第二类永动机是永远不可能实现的。”
    “因为吸收的热量不可能全部变为功。”
    “注意，这个表述并非是严格的理论推导，而是在大量实验基础上得到的经验性公理。”
    “卡诺发明提出的热机效率理论，是其坚实的基础。”
    “但正因为开尔文表述是在实验基础上发展而来的公理，所以很多人就认为它不一定完全正确。”
    “这就是第二类永动机目前盛行的原因。”
    “谁能发明第二类永动机，谁就推翻了热力学第二定律。”
    哗！
    台下众人眼神火热。
    这个时代，热力学第二定律的正确性并不像后世那么根深蒂固，无人质疑。
    哪怕在学术领域，也存在不少质疑。
    “克劳修斯表述和开尔文表述是等价的，都代表了热力学第二定律的内涵。”
    “这时，估计有人好奇。”
    “咦，不是说麦克斯韦妖是和热力学第二定律有关吗？”
    “怎么两大表述中没有出现麦克斯韦的身影呢？”
    “别急。”
    “这里，就要提到热力学领域另一个至关重要的概念：熵。”
    “在我看来，一位对熵一无所知的人文学者，和一位对莎士比亚一无所知的科学家同样糟糕。”
    “熵理论对于整个科学来说，或许都是第一法则！”
    哗！
    众人震撼！
    他们想不明白，布鲁斯教授为何对熵有如此之高的评价。
    “1865年，克劳修斯在研究热力学的时候，发现了一个新的宏观状态函数。”
    “他用公式表示为ds=dq/t。”
    “其中，t表示系统的温度，ds表示系统的熵变化，dq表示系统熵变过程中的热量变化。”
    “这个公式表示，如果系统的温度不变，那么加入系统的热量会导致系统的熵发生改变。”
    “接着，克劳修斯突发奇想，他把熵的概念和热力学第二定律联系起来。”
    “通过严密的数学推导，他得出第二定律的另一种表述形式：ds≥dq/t。”
    “即，从熵的角度看，所有自发的热力学过程，都是不可逆的。”
    “什么是可逆和不可逆呢？”
    “如果一个系统从状态a出发，经过一个过程b，最后变成状态c。”
    “这时，如果存在另一个过程b+，它能使得系统从状态c变回状态a，并且消除其它一切影响。”
    “那么，我们就能说b是可逆过程。”
    “否则，b就是不可逆过程。”
    “按照克劳修斯的公式，大量粒子组成的热力学系统所经历的任何过程都是不可逆的。”
    “举个刚刚说过的例子。”
    “把一滴墨水滴入一杯清水中。”
    “那么，你能在不产生其它任何影响的情况下，把墨水和清水分离吗？”
    “显然，这是不可能的。”
    “因为这是一个不可逆的过程。”
    “有人说：不对，我有办法。”
    “如果我有足够的能量和时间，能不能把墨水分子一个个找出来。”
    “可惜，这是不行的，因为这耗费了能量，产生了其它影响。”
    “类似的例子还有很多，比如破镜重圆等等。”
    “克劳修斯提出的熵概念，极大地拓展了热力学的内涵。”
    “它使得物理学家可以从另一个角度来思考热的传递过程。”
    “紧接着，玻尔兹曼又从微观的角度重新定义了熵的该概念。”
    “他认为熵是体系混乱程度的度量。”
    “对于由大量气体分子组成的系统而言，熵就表示了系统内分子的混乱程度。”
    “玻尔兹曼首次将系统的熵和概率联系在一起，阐述了热力学第二定律的统计性质。”
    “这就是大名鼎鼎的玻尔兹曼分布。”
    “而玻尔兹曼分布的基础就是麦克斯韦曾提出的微观粒子速度分布律。”
    “在克劳修斯和玻尔兹曼的基础上，热力学第二定律有了新的称呼：熵增定律。”
    “热量的传递和做功，统统转化为系统熵的变化。”
    哗！
    此刻众学生听的如痴如醉。
    虽然他们都学习过热力学。
    但从来没有像今天这样，一位大佬抽丝剥茧般给他们分析热力学四大定律的来龙去脉。
    尤其是热力学第二定律，原来这么复杂！
    此刻，李奇维继续说道：
    “关于熵增定律的表述有很多种。”
    “其中一个经典的版本为：一个孤立的热力学系统，它的熵永不减少。”
    “所谓的孤立系统，是指与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统。”
    “可以说，熵增定律在诞生的开始，就受到了所有人的不喜和质疑。”
    “因为如果它是正确的，那么就意味着我们的宇宙将走向热寂。”
    “因为熵增定律的一个推论是系统达到平衡态时熵最大。”
    “如果把宇宙看成一个孤立系统，那么它的结局就是达到混乱程度最大的状态。”
    哗！
    众人忽然感受到一种冰冷的寒意。
    仿佛是有一条真理在暗中安排着所有人的命运。
    “然而，就在这时，麦克斯韦站了出来！”
    (本章完)