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191 【熵】

作者:想不想吃西瓜
“為什麼?”許多人不禁問道,“這並不違背能量守恆定律。”

“是的,第二類永動機並不違背能量守恆定律,但它卻違背了另一條定律。”馬哨停頓了一下,“這條尚未被明確的定律正是我今天的演講主題——熱力學第二定律。”

他說的是“尚未被明確”,而非“尚未被發現”。

與其它學科相比,熱力學的發展更接近於漸進式,比如能量守恆定律,部分科學家早就隱約意識到了,只是最近幾年才被明確下來。

熱力學第二定律也是,一些敏銳的物理學家同樣已經隱約意識到了這條定律的存在,只是說不清楚,隔著一層薄薄的窗戶紙。

此時的物理學家們只要再回頭仔細審視卡諾定理,就不難意識到熱力學第二定律的存在。

事實上,在原本的歷史中,兩三年之後,在重新審視卡諾定理之後,克勞修斯和開爾文就會分別給出他們對這條定律的理解。

而如今,克勞修斯和開爾文顯然沒有這個機會了,馬哨會把熱力學第二定律講個通透。

“第二定律?”法拉第不禁說道,“聽上去很有意思。”

馬哨說:“第一定律告訴我們,能量不生不滅,而只能被轉移,而第二定律講的則是能量轉移的規則——能量並不能隨意地轉移。”

“大自然對我們的限制總是比我們想象得要多。”他插了一句。

“關於這種規則,直白地講,就是不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。”

“在知道了熱力學第一定律之後,我們回頭看看卡諾定理,不難發現,熱力學第二定律其實是卡諾定理的前提,只有它成立,卡諾定理才能成立……”

臺下議論紛紛。

能量守恆定律告訴人們,熱和功是等價的,可以互相轉化,而卡諾定理描述的熱和功卻並不完全相同,功可以完全地轉化為熱,反之卻不行。

如果能量守恆定律和卡諾定理都沒錯,那麼顯然,還需要另一條定律來支撐這個體系,也就是熱力學第二定律——能量雖然可以互相轉化,但卻有方向的限制。

這個道理並不複雜,經馬哨這一說,很多物理學家都明白過來。

“原來如此!”

“一點都沒錯,如果沒有這條定律,卡諾定理就無法成立了。”

“這確實意義關鍵,絕對可以算是熱力學第二重要的定律。”

“該死,前不久我也注意到了這個問題,可是我居然沒有細想!”有幾個物理學家懊惱不已,“上帝啊,我錯過了什麼!”

“他可真是個幸運的傢伙!”一些人看著臺上的馬哨,不禁酸溜溜地說道。

顯然,他們認為發現熱力學第二定律是運氣使然。

這倒也沒錯,如此粗糙敘述的物理定律確實沒什麼技術含量,難以讓人心服口服。

於是馬哨繼續說道:“當然,這只是一個粗糙的描述,它看上去不像是物理的定律,而像是哲學的格言。”

“就像牛頓的著作,物理是哲學和數學的結合……因此,為了使它成為真正的物理定律,我們需要用數學語言進行闡述,我們要引入一個可以計算的概念——熵。”

“熵?”臺下的人們一頭霧水,嘗試重複這個拗口的名字。

馬哨沒有使用他前世所知的熵的英文名,而是用了阿帕奇語裡的“原劫”,靈諭教的宗教術語,英國人自然會覺得拗口。

“這是個阿帕奇詞語,意思是‘原始的劫難’,類似原罪。”他解釋道,“事實上這確實也是一個宗教詞語,我的族人為這個詞語賦予了一些宗教概念。”

“阿帕奇人信奉什麼宗教?”人們難免感到好奇。

於是馬哨先是大致介紹了一下靈諭教,然後話鋒一轉:“當然,我並不是很提倡宗教,我一直在建議人們遵循更理性的思維方式……不管怎麼說,至少在這裡,一場物理學會議上,我們還是少談些宗教話題吧。”

毫無疑問,馬哨描述的宗教勾起了人們的好奇心,這也是他想要的。

但他沒有多說,畢竟他不能做傳教士,眼下也不是傳教的場合。

“在這裡,原劫或者說熵,是一個純粹的物理上的概念。熵的內涵很複雜,從幾年前想到它,一直到現在,我對它的理解不斷被修正。”

“首先,我們來回顧卡諾的工作。”

說著,馬哨再次轉過身,在講臺後面的黑板上寫下一些公式。

“我們可以對任意熱迴圈過程做微分,將其約化為由大量卡諾熱機疊加而來的熱迴圈過程。接下來,根據卡諾的結論,我們得到這個結果……”

對於在座的許多物理學家們來說,這些都是他們熟悉的內容,不難理解。

當然,那些不懂微積分的物理學家除外——確實有這樣的物理學家。

比如法拉第的微積分水平就很值得懷疑,大機率是不懂的。

法拉第出身貧寒,沒有受過多少正規教育,遠非一個精通數學的物理學家,他的工作基本都在實驗領域,是出色的動手能力和物理直覺讓他成為了一流的物理學家。

可以說,在同段位的物理學家當中,法拉第的數學水平可能是最差的那一個。

數學上的短板,也是他未能將電磁學的研究更進一步的原因,好在不久之後,年輕而又天才的麥克斯韋將替他完成這項使命。

片刻之後,馬哨將公式中的一個變數圈出來,說道:“這個變數,或者說狀態函式,就是我所說的‘熵’。”

他圈出來的變數自然是克勞修斯熵,這也是“熵”的最早定義。

“……現在,我們不難發現,對於一個孤立系統而言,它的熵是一個無法減少的數值,熵變必然大於等於零。熵無法減少,便是反映了能量轉化的方向性。”

“這裡的不等式,也即熱力學第二定律的數學表達。”他指著黑板上的克勞修斯不等式。

這一通操作下來,在場的物理學家們不得不服了。

如果說,發現熱力學第二定律可以靠運氣,但從這條定律中提煉出數學表示式,沒有一番紮實的功底是萬萬做不到的。

“熵……我想用不了多久,這個詞就會出現在所有的教科書上了。”湯姆森感慨地說。

“一個偉大的發現!”法拉第不禁拍手稱讚,雖然他看不懂數學推導的過程,但憑藉著超凡的物理直覺,他無疑感受到了熵的奇妙之處。

“啪啪啪——”隨著他的掌聲,其他物理學家也紛紛跟著鼓掌。

“謝謝。”馬哨笑了笑,禮貌地回應著。

然而隨後他便收斂了笑容,話鋒一轉:“不過,這並不是我最終的思考結果,也遠不是熱力學第二定律的真正面貌。”

掌聲迅速平息,人們安靜而又詫異地看著他。

在他們看來,剛剛的演講已經稱得上是物理學的典範,然而馬哨卻告訴他們,這並不是結果?

面對著眾人疑惑的目光,馬哨神色平靜,緩緩說道:“我們用數學表述了熱力學第二定律,但是我想你們都注意到了,‘熵’這個概念似乎還沒有實際的物理意義與之對應。”

“這個問題困擾了我許久。經過長期的思考,我得到了一個比較滿意的答案,正是因為這個答案,我才會將該變數命名為‘熵’——阿帕奇語中的‘原劫’。”

停頓了一下,馬哨又道:“接下來,我們來探討‘熵’的本質。”
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