进化论系列讲座（二十五）热力学第二定律与演化的物理世界

郭建崴

让我们先来回溯一下物理学的发展脚步。

作为物理学的一个分支，力学主要研究能量和力以及它们与固体、液体及气体的平衡、变形或运动的关系，大致可分为静力学、运动学和动力学三部分。古希腊时期，阿基米德已经初步奠定了静力学（即平衡理论）的基础。标志着近代自然科学诞生的哥白尼的日心说，则是对太阳系天体所作的运动学描述。16世纪到17世纪间，伽利略通过实验研究和理论分析，最先阐明自由落体的运动规律和加速度的概念，提出惯性定律并用来解释地面上物体的运动和天体的运动；17世纪末，牛顿在前人的研究基础上，尤其是站在开普勒行星运动三定律的“肩膀”上，提出牛顿力学三大定律和万有引力定律，成功地解释了地球上的物体运动规律和行星的轨道运行规律，奠定了动力学的基础，使经典力学形成系统的理论。随后两个世纪中，经很多科学家的研究与推广，终于形成了一门具有完善理论的经典力学。

20世纪初叶，物理学革命造就出相对论和量子力学，变革了牛顿力学的时空观念及能量连续性的认知，使得包括力学在内的整个物理学发展到一个全新的高度。然而，所有这些理论都只是对存在着的自然界的解读，它们提供的仅仅是一幅没有演化的自然图景，被后来提出“耗散结构理论”的普利高津称为“存在的物理学”。

其实，在19世纪50年代，热力学第二定律的问世不仅为物理学的发展拓宽了领域，而且最先另辟蹊径地把演化观念带进了物理学。

在被普利高津称之为存在的物理学里，一种物质运动从旧的状态变到新的状态，还可以沿着同一条路径无差别地回复到原来。也就是说，物质运动的时间是没有方向的，过去和未来都一样，物质运动的变化是可逆的。

从这个意义来说，上一期笔者文章中介绍的热力学第一定律也还是属于“存在的物理学”，即使它提供了热力学能的基本定义，与所有热力学系统有关，并阐明了能量守恒定律。

热力学第二定律则不同，它与自然过程的方向有关，断言自然过程是不可逆的。

实际上，在自然界根本找不到绝对可逆的变化。所有由一定初始状态发生的变化和过程，都要对其周围的环境产生某种影响，绝对不可能做到即使这一变化和过程回复到初始的状态，又消除它给环境造成的一切影响。例如，江河里的水都是从位于高处的上游流向低处的下游，没有任何一滴水能够自动地倒流回上游；又如，一盆清水里如果滴入一滴墨汁，墨汁里的碳微粒会很快散布到清水中使清水变黑，但是变黑了的清水不会将碳微粒自动聚集到一起从而使水重新变清。这样的例子不胜枚举。

物理学对不可逆过程的研究也是从19世纪提高热机（蒸汽机）效率的努力开始的。

热机作功的基本过程是这样的：工作物质（水）在高温热源（锅炉）吸热（水沸腾并转化成蒸汽），一部分热量以蒸汽推动活塞而作功，一部分热量则由作功后的蒸汽带入到冷凝器中放掉。

自1768年经瓦特改进的蒸汽机应用于工业开始，热机效率一直不超过3%-5%。也就是说热机仅仅将3%-5%的热能转化成了机械功，95%甚至更多的热能都损失掉了。这个现象引发当时的热机工程界对两个问题进行着热烈的讨论——热机效率是否有一极限？什么样的热机工作物质是最理想的？

到了1824年，前文提到的法国工程师卡诺发表了《关于火的动力》一书，提出了“卡诺热机”和“卡诺循环”的概念以及“卡诺原理”（现在称为“卡诺定理”）。“卡诺热机”是一种理想热机，是一切工作于相同高温热源和低温热源之间的热机中效率最高的热机；“卡诺循环”是一种可逆循环。“卡诺原理”则指出：“一、在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关，与可逆循环的种类也无关；二、在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。”

卡诺热机的效率是由高温热源的温度T1和低温热源冷凝器的温度T2决定的（T1、T2为绝对温度值），最大效率是（T1-T2）/T1=1-T2/T1，可见它决定于高温热源同低温热源之间的温差，温差越大（T2/T1越小）效率就越高。

根据这个公式有人可能会提出一个问题——如果低温热源的温度降到0（T2=0），热机效率不就可以提高到100%了吗？然而正如开尔文和克劳修斯所指出，要使低温热源达到绝对零度是不可能的，因为那意味着组成物质系统的分子、原子、基本粒子等微观粒子全都静止不动，这样的情况在自然界不会出现。低温热源不仅无法降温到绝对零度，即便要使其温度低于环境温度都得对它作功，这还要消耗能量。那么，不要冷凝器、把放入冷凝器的能量全部用来作功是否可行呢？实践证明也是不可能的。作功后带有余热的蒸汽如果不排入冷凝器放掉蒸汽机就不能周而复始循环地不断工作。而且，即使不要冷凝器也并没有去掉低温热源，经冷凝器释放的热量会散布到环境中去，环境就成为了低温热源。那么能不能不要低温热源只靠单一热源作功呢？自从热力学第一定律问世后，人们终于认识到能量不能被凭空制造出来，于是有些人幻想设计出一类“永远工作”的机器，从海洋、大气乃至宇宙这样巨大的单一热源中吸取热能，将这些热能作为驱动其转动并输出功的源头，这就是第二类永动机。这样的美梦直到今天也没有实现、而且也永远无法实现，因为机械能和内能的转化过程具有方向性。

以第二类永动机不可能实现这一规律作为出发点，开尔文于1851年总结出热力学第二定律——不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不产生其他影响。就是说，热量不能全部转化为机械功，必须有一部分热量要放入低温热源中去。功和热的转化是不可逆的。

其实在一年前的1850年，克劳修斯从热传导的经验事实中也总结出了热力学第二定律——热不可能从低温物体传递到高温物体而不产生任何其他的影响。热力学第二定律的这种表述，突出了热传导的不可逆性。

克劳修斯的陈述使用了“热量传递”的概念。在热力学中，这通常是指“能量以热的形式净转移”，而不是指一种方式或另一种方式的贡献转移。例如，一块100度的铁同一块15度的铁接触，热量总是由100度的铁流向15度的铁，直到两块铁的温差消失。绝不会出现15度铁的热量流向100度的铁，使温差越来越大的现象；再如在我们现代使用的冰箱和空调中，如果压缩机系统不进行外部工作，热量是不能自发地从冷区流向热区的，热量从冷区流向热区只有在外部因素作功才能实现。

热的传导总是由高温流向低温的。

热量从热水（深蓝色）自发地流向冷水（浅蓝色）（图片引自互联网）

热力学第二定律两种不同的表述，其实质内容是等价的，都表明了能量变化中的耗散特性。所谓能量的耗散是指利用效率较高的能量向利用效率较低的能量的转变。机械能是一种利用效率较高的能量，热能则是一种利用效率较低的能量；高温物体具有的热能利用效率较高，低温物体的热能利用效率则较低。自然界一切自发变化的过程都是能量耗散的过程，自然界的变化是不可逆的。

热力学第二定律反映了物质运动中能量变化的方向性，并且给时间标上了箭头，从此人们认识到，物理世界不只是一个存在的世界、还是一个演化的世界。