热力学第二定律是如何改变世界的？从常识到最深奥的哲学问题 _兴凯湖

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1959年5月，物理学家、小说家C.P.斯诺作了一次题为《两种文化》的演讲，引起了广泛的争议。斯诺认为，科学和人文学科已经失去了联系，这使得解决世界上的一些问题变得非常困难。今天，我们在否认气候变化和攻击进化论方面看到了同样的情况。斯诺对他所看到的不断下降的教育标准感到特别不满，他说：

我曾多次出席这样的集会：按照传统文化的标准，这些人被认为是受过高等教育的人。有一两次我被激怒了，我问他们有多少人能描述热力学第二定律（也就是熵定律）。几乎没有人能。

“热力学”是指热的动力学。热量可以流动，它可以从一个位置“流”到另一个位置，从一个对象移动到另一个对象。傅立叶写下了热流的第一个重要模型，并做了一些数学计算。但科学家们对热流感兴趣的主要原因是一项新奇且利润丰厚的技术：蒸汽机。
大约在公元前50年，罗马建筑师和工程师维特鲁威在他的《论建筑》中描述了一种叫作汽转球的机器，一个世纪后，希腊数学家和工程师建造了一种汽转球。它是一个中空的球体，里面有一些水，两根管子伸出来，弯曲成一个角度，如下图所示。加热球体，水变成蒸汽，通过管子的末端逸出，反作用力使球体旋转。这是第一台蒸汽机，它证明了蒸汽机确实有用。

瓦特在26岁的时候发现蒸汽可以成为一种动力。但实际的蒸汽动力要早得多。通常认为蒸汽动力的发现要归功于意大利工程师和建筑师乔瓦尼·布兰卡，他在1629年创作的《机器》中有63幅木刻的机械装置。其中一幅画的是一个桨轮，当来自管道的蒸汽与叶片相撞时，它会在轴上旋转。布兰卡推测，这台机器可能用于磨面粉、提水和劈柴，但它可能从未被建造出来。布兰卡的蒸汽机只是个概念机器，就像达芬奇的飞行器。
后来，蒸汽机完成了各种工业任务，最常见的是从矿井中抽水。当上层矿资源被开采完毕后，投资者需要向地下挖得更深，就会不可避免地遇到地下水。这个时候，要么闭井放弃，要么把地下水抽掉。投资者显然不愿意放弃宝贵的矿资源。因此，他们急需一种设备（机器）去完成抽水任务。工程师们把目前投向了蒸汽机，对蒸汽机的研究创造了物理学的一个新分支——热力学。热力学揭示了一切，从气体到整个宇宙的结构；它不仅适用于物理和化学中的无机物，也可能适用于生命的复杂过程。正是热力学中的能量守恒定律打破了永动机的幻想。

其中一条定律，即热力学第一定律，揭示了一种与热有关的能量，并将能量守恒定律扩展到了热机领域。另一项研究表明，某些与能量守恒不冲突的热量交换方法是不可能的，因为它们必须从无序中创造出有序。这就是热力学第二定律。
热力学是气体的数学物理。它解释了气体分子的相互作用是如何产生温度和压力的宏观特征的。经典热力学不涉及分子（当时很少有科学家相信它）。后来，气体定律又有了进一步的解释，这是基于一个明确涉及分子的简单数学模型。气体分子被认为是微小的球体，它们像完全有弹性的台球一样相互反弹，在碰撞中没有能量损失。虽然分子不是球形的，但这个模型被证明是非常有效的。它被称为气体动力学理论，通过实验证明了分子的存在。
早期的气体定律在近50年的时间里断断续续地发展，主要研究者是爱尔兰物理学家和化学家罗伯特·博伊尔，法国数学家雅克·亚历山大，以及法国物理学家和化学家盖·吕萨克。 1834年，法国工程师和物理学家克拉佩龙将所有这些定律合并为一个，理想气体定律，我们现在写成