解讀|熱力學第二定律,給我們帶來巨大的指導意義!

2021-02-08 鷹眼研究

如果是學生,認真讀這篇文章,你會感到物理書裡的東西,不但會幫助我們理解客觀世界,更會給生活、乃至人生帶來巨大的指導意義。


如果是成人,希望大家能理解宇宙、生命和人生的一條基本規律。這樣,大家一起生活的,會感受到更多的感恩和愛,變得更加幸福。


以下為正文。分三個層次進行介紹:


1 物理學裡的意義;

2 對生活的啟發;

3 對人生的指導意義;

1 物理學裡的意義


按照高中物理書上的說法。熱力學第二定律,有三種表述形式,分別為:


克勞休斯表述法:熱量不能自發地從低溫物體傳到到高溫物體


開爾文表述法:不可能從單一熱庫吸收熱量,使之完全變成功,而不產生其他的影響


微觀表述法:一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行


後來,人們為「分子熱運動的無序性」定義了一個參數,稱之為「熵」,因此微觀表述法也被稱為「熵增定律」(這個詞在很多領域都會提到)。


當年高中的時候,老師反覆強調,這三種表述方法是等價的。但我一直都搞不明白,這三句話明明說的是三件事情,為什麼書上卻說是同一件事情?


理解這個點,需要很多年的觀察和感悟。如果一個高中生真的能理解它的意義,毫無疑問會對物理學的哲學意義,產生濃厚的興趣。


這篇文章只會粗略帶過物理學意義,因此只舉一個例子來說明:空調。


憑藉生活經驗,我們能感受到克勞休斯表述法(熱量不能自發地從低溫物體傳到到高溫物體)。確實,熱水放在屋裡只會慢慢變涼,而不可能慢慢變熱。


一般人,可能也就理解到這了,但物理學家總會多想一步,因此有了開爾文表述法(不可能從單一熱庫吸收熱量,使之完全變成功,而不產生其他的影響)。它之所以這麼說,就已經不滿足於僅僅總結現象了,而是提升了思考的維度:


如何能讓熱量從低溫物體,傳到高溫物體?


經過反覆的試驗,開爾文發現,這並非是不能實現的,只是你要付出「代價」,開爾文稱之為「其他影響」。


你可能覺得,讓熱量從冷物體傳到熱物體,也就是冷的更冷,熱的更熱,這真的可能麼?其實我們每天都在用,即空調。


炎炎夏日,外面很熱,屋裡可能會稍涼爽一點。按照熱量從高溫物體傳遞到低溫物體的規律,熱浪只會不斷從室外湧入室內,毫無辦法。但空調的發明,實現了相反的過程:把熱量從屋裡抽走,排到外面去。因此,屋裡會越來越涼快,而外面會越來越熱。


這是相當違反自然定律的事情,相當於桌上有一杯水,突然一半變得越來越熱,另一半越來越冷。根據熱力學第二定律,為了實現它,我們要付出一定的代價:即花費額外的電能。


我們花費了很多電能,用來搬移熱量,卻不能消滅熱量。相反,用電本身還會產生更多的熱能。因此,從整體來講,大量空調的使用,會讓整個城市的整體問題升高,我們可以把它看成是,人類獲得室內涼爽的「代價」。


至於第三種微觀表述法(一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行),對此的研究就更進一步了。它不是只描述現象(克勞休斯表述法),也不是想著怎麼去技術改進(開爾文表述法),而是真正嘗試去解釋,這種客觀規律的根本原因,因此,它的適用性一下子擴展到了相當多的領域。

熱力學第二定律

討論熵之前,我們還需要在知識上做一些準備,本文重點在於介紹熱力學第二定律。在介紹之前,我們先來了解一下熱力學過程中的不可逆過程。如果一個過程的每一步都可以在相反方向進行而不引起其它變化,稱為可逆過程,反之,引起其它變化的過程稱不可逆過程。

從上面的描述我們能夠看出,除了準靜態過程是可逆過程,因為它的每一步都處在熱力學平衡態,其它一切實際過程都是不可逆過程,即任何一個實際過程都是可以向相反方向進行,但是一定會引起外界的變化。


一切實際過程均不可逆反映了熱力學的規律,這和力學規律是完全不同的,這就是熱力學第二定律所表達的基本事實。

我們如何來看待這個基本事實呢?因為我們根本沒有辦法去驗證自然界所有的實際過程,我們只能用邏輯推理的方法來說明熱力學第二定律所表達的基本事實——實際過程均是不可逆過程。

我們都知道,準靜態過程只是一個理想過程,這個過程要求進行得無限緩慢並且無摩擦或沒有能量損耗,這在實際過程中是做不到的,所以實際過程就不可能是可逆過程。再看一些極端的粒子,如人的生長過程,炸彈爆炸的過程,氣體的擴散過程等,都是不可逆過程。

理想氣體的基本過程圖

熱力學第二定律是從經驗中得到的,它有幾種表述方式。一般的表述為:任何一個宏觀過程向相反方向進行而不引起其它變化是不可能的。我們來看一下其它的表述方式:

1850年克勞修斯根據熱傳導的逆過程的不可能性提出:不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化;

1851年開爾文根據摩擦生熱的逆過程不可能性提出一個說法:不可能從單一熱源取熱使它全部變成功而不引起其它變化;

奧斯特瓦爾德提出另外一個重要的說法:第二類永動機是不可能實現的。所謂的第二類永動機是指一個熱機僅從單一熱源吸收熱而轉變成功,而無其它變化。

其實,上面的幾種不同的說法,我們是可以證明它們都是等價的。

如果克勞修斯說法不成立則開爾文說法也不成立

我們應該強調「不引起其它變化」。這是因為一個理想氣體在做等溫可逆膨脹的時候,對外做了功,由於理想氣體的自由膨脹內能不變,ΔU=0,則理想氣體做的功等於氣體在膨脹過程中吸收的熱量,吸收的熱量全部變成了功,看上去這是違反熱力學第二定律的開爾文說法,但實際上有其它變化,在這個過程中,氣體的體積變大了。所以理想氣體膨脹過程是滿足熱力徐第二定律的。

2 對生活的啟發


微觀表述法(一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行)實際上描述了世界運行的底層規律:


所有事物都會向著一個確定的方向發展,而不幸的是,這個方向是秩序的反面:無序


類似的例子太多了。墨水滴到水裡會漸漸散開,再也沒法重新聚集;花瓶很容易摔碎,而且一旦摔碎了,就很難復原;如果沒人打掃,城市會越來越亂,以至於無法居住;甚至物理學預測的宇宙,也會慢慢化為一團飛灰,

不再有任何生機。


熱量會從熱的物體傳導到冷的物體,也只不過是這規律的一個側面而已。


知道了這個,對我們的生活有什麼意義呢?


是有的,你可能會多一個角度來評價生活的意義。


從工業革命的大生產時期,人類漸漸形成了一種價值觀。我們總感覺物質、能量,這些東西是最重要的。因此,我們拼命擴張領土、聚集財富、把公司越做越大、認為擁有的房產、錢財、權利越多就越成功。


我們天天口中所說的,小到個人的財富危機、大到全球的能源危機,都是從總量上去評價,這是一種能量思維


但漸漸人們發現,只要技術足夠,能量根本不是問題。我們總是擔心石油用完了會怎麼辦,可只要有技術,能源其實是取之不盡的。不管是太陽能還是核能,或者到太空裡去尋找新的礦石能源,宇宙裡的物質和能源,幾乎等同於無限。


甚至我們一直抱有的思想:我們會「用掉」能源,也是很傻的想法。能量是守恆的,我們根本沒法把它「用掉」,只不過是把它從一種形式,變成了另一種形式而已。


漸漸人們發現了,我們缺少的並不是「能量本身」,而是「能量的秩序」。


什麼叫能量的秩序呢?特別簡單,我把一勺酒精點燃了,變成了水和二氧化碳,放出了熱量。這裡,無論是物質還是能量,都是守恆的,真正變的,只是能量的秩序:從化學能變成了熱能。


再舉一個例子,我把一個小球從高處拋下,落到地上。看似損失了重力勢能,但其實並沒有損失,它只是轉變成了熱能、形變能、聲能等。


我們所謂的發電,也並不是真的「製造能量」,而是把一種能量,轉變成電能而已。而能量有一種特性,很容易從秩序高的能量,轉化為秩序低的能量,但無法反過來。


所以我們只聽說過太陽能、核能、火力、水力發電,因為這些能量秩序都很高,容易變成秩序稍低的電能;但很少聽說聲能發電,因為聲音這種能量的秩序太低了,以至於幾乎不可能再重新收集起來,轉化為高級能量。


因此,我們確實是在「用掉能量」,只不過是在不斷把能量從「高秩序」用成「低秩序」而已,而不是把他們的總量用掉了。


你可能會問,為什麼會有那麼多高秩序能量可以用呢?這就要感謝太陽了。太陽提供的光子流,是一種秩序極高的純能量,生物通過葉綠素把這種高級能,轉化為地球能量最常見的形式:化學能。所有的生命能夠生存,理論上都來自於近乎無限的高秩序能量輸入。


因此,太陽的價值,並非只是提供能量,而是提供了「高秩序」的能量。試想,如果有個巨大的能量源,一隻開著大喇叭朝地球發聲(暫不考慮傳輸問題),理論上也是可以不斷傳輸能量的,但根本無法讓生命誕生。只因為聲音雖然也算能量,但基本算是能量裡用剩下的「汙水」,很難再被生命二次利用了。


解釋了這麼多,都是在於闡述「能量思維」的局限性,真正的智者,需要漸漸認真考慮「能量秩序」的問題了。這對生活的啟發極大。


以學習為例,大部分孩子目前仍處在不斷吸收知識總量的階段。他們以及他們的家長都以為,花的時間越多、背的知識越多、做的題目越多,掌握的東西也就越多。


這種學習法,很類似於不管什麼東西,都往家裡拾。看似擁有的財物總量大,卻是一團亂麻,毫無秩序,以至於家裡沒有任何舒適感。


很多孩子的腦子,都是這種狀態。他們根本沒有任何總結和梳理能力,不知道知識點之間的結構聯繫,按照我們物理學的標準來說,擁有的都是「毫無秩序」的知識。這種知識結構,看似總量很多,但秩序太低,以至於沒有什麼再利用價值,也不可能催生出真正有思想的大腦。


只需要多考慮一下擁有之物的秩序,會對生活裡的各種事情,產生不一樣的評價標準。


禪修之人講究「少即是多」,在意的就是擁有之物的秩序,而非數量。


日本「斷舍離」式的整理之法,也是通過清理過多的數量,讓家裡充滿整潔和秩序之美,以提升整個人的幸福感。


冥想,也類似於一種頭腦清理術,你會發現,思考的問題少了,才能更好地思考問題,達到更高的境界。


3 對人生的指導意義


最後我想說的,是熱力學第二定律對人生觀的影響。真的理解它,有助於你變成一個充滿感恩的人。


佛學裡有三毒的概念,即貪、嗔、痴。前兩者貪慾和嗔怒,在我看來都來自於對生活的不滿。現實世界裡,你能看到大把的人,充滿了抱怨和憤恨。


開車的時候,前面有人轉彎擋了他一下,他會罵對方沒腦子;工作的時候,領導安排工作沒太考慮周全,會吐槽一晚上;外出吃飯發現一個服務沒到位,恨不得抓住機會狠狠訓服務員一頓;當然,和家人交流的時候會有更多的細節摩擦,會感覺為什麼總是跟我過不去?


記得有個電視節目,模擬了一個場景。節目組在飯店裡事先安排好,趁顧客不注意的時候,打翻他們桌上的紅酒,然後快速離開,只留服務員在桌邊打掃衛生。


幾乎所有的顧客,回過頭看到紅酒被打翻,都會直接指責服務員,說是他打翻的,而根本不顧「自己根本沒有親眼看到」的事實。只因為一個原因,紅酒翻了,服務員離得最近,因此他要負責。


這種思維,紮根於一種巨嬰式的人生觀裡:一切不順利,都是因為別人的過錯,需要有個壞人來負責!


而真正理解熱力學第二定律的人,就不會這麼來理解問題。因為我們明白,世界本來就會朝著無序的狀態發展。


馬路自然會髒的、雜草也會叢生,這是規律;屋裡會越來越亂,這也是規律;飯菜不會自己跑到桌子上,這是規律;人會生老病死,這更是規律。一切並非是某個人的責任。


但為什麼,我們發現馬路並沒有越來越髒呢?屋裡也一直很整潔?總會有可口的飯菜?而人的壽命,也會越來越長?


懂得熱力學第二定律的人,不難問出這個問題。而一旦問出這個問題,就離發現這個世界最美好的秘密不遠了。


那是因為,有無數的人在花費著巨大的努力,努力維持著一切的秩序。他們以一己之力,抗衡著物理學規律,也因此,他們在默默支付著我們之前提到的「代價」。


早晨4、5點鐘,清潔工就在努力工作了;爸媽每天在花費時間,整理著屋子,為你做可口的飯菜;無數醫生加班加點努力工作,為我們提供最好的醫療服務。


只不過,沒人能真正把一件事做到100分。這時候,看問題的視角就顯得特別重要,足以決定他和世界的關係


巨嬰們,總是以為世界應該處處令他們滿意,稍有不足,就是某個壞蛋在跟自己做對,因此他們仇恨著別人。


而成熟的人們,知道世界本就是不完美的,而且會一直朝著無序的方向發展。當他們享受到任何哪怕不太完美的服務時,也會報以感恩的心,因為他們明白,能在無序的宇宙中創造出這麼一點秩序,也一定是某些人、支付了相當的代價才換來的。


就我自己來說,自從想明白這一點,去到相同的麥當勞裡,看到的事情就全然不同了。以前的我,會各種挑剔,感覺他們都沒有用心去做,如果我來開店一定會做得更好。然而,真的自己開店了之後,才發現哪怕每天擦一遍門,也並不簡單,才發現原來麥當勞裡做到的種種,真的是一個團體精心付出了巨大努力才能維持的。


再到那裡,我為能在炎炎夏日裡、能在暴雨暴雪中、能在深夜晚歸時,找到這麼一個舒適的環境,能吃到標準化味道的食品,而深深地感恩。


感恩並非是一種可以被塑造的行為,也不是通過控制情緒所能達到的狀態。它的本質,是對客觀規律的深刻理解。就像之前提到的佛學三毒「貪嗔痴」,貪嗔表現出的不滿,只是一種表象,其根源仍然在於最後一點「痴」,即缺少智慧。不理解一切的原因,是終究無法通過控制情緒來實現感恩的。而治療三毒的方法,佛學裡也提供了層次鮮明的三種路徑:「戒定慧」。定,通過禪修打坐等意念的修行,來化解情緒,為中級;慧,通過洞悉根本規律,獲得大智慧,完成最終的涅槃。從這個角度來講,學習數學和物理,顯然是理解萬物根本規律的好方法,是獲得大智慧的基本功。可惜的是,我們現在的數學物理課程,多還是糾結於套路和解題,即便是如此有韻味的熱力學第二定律,多數老師根本講不明白,只是讓學生背下來,這不能不說是暴殄天物。曾經,試探性地跟一些初高中的孩子,聊過這些問題。能量守恆啊、空間和維度啊、相對論和時空穿梭啊、還有熱力學問題,看似是物理,實則關係到每天的生活、成功的秘訣、生命的原理、人生的意義、宇宙的歸宿。
從他們的反映來看,至少會對物理學的深刻,有了一些基本的認知;天資比較好的,會有一種神遊天際的感覺,眼睛裡閃著光。這種感覺,是刷50套試卷,也無法帶來的,是對某個學科、某種領域的讚嘆和嚮往。

透平老師點評:

電能的品位是高於熱能的吧… 電能是一種秩序很高、品位很高的的能量。用熱二評價能量品位的時候,有一個簡單的方法就是看能量相互轉化的效率,電能可以很容易的100%的轉換為熱能,但熱能想轉化為電能就比較難了,基本都是用熱機轉化為機械能再用發電機轉化為電能,發電機效率還算不錯,熱機效率要差一些,而火電核電熱力循環的效率也就百分之三四十。我理解,不敢說最低,熱能基本上是品位非常低的能量形式了,所以也是宇宙中除了質量之外最為普遍的能量形式了。至於聲能,本質上還是機械能,品位總體還是高於熱能的。熱聲熱機和熱聲制冷機就是熱能與聲能之間轉化的設備。

王迪老師點評:

     很好的一篇文章,作者從熱力學「熵」的概念,引出對客觀世界的認識,從而說明物理及人類的行為本質!


「熵」的無序概念,其實也是一種有序,這裡的有序是我們應該遵循的一些原理,在眾多的學科裡,哲學才是最值得學習的一門課程,從哲學的角度看待世界就能洞察所有的自然現象。什麼是哲學?哲學是關於自然界和人類社會的最基本科學,是科學的世界觀和方法論!一切自然現象(物理)和人類理想活動(感知)都離不開哲學的原理,是對人類和自然科學的高度概括和統一!也是辯證唯物主義的核心價值!


人的認知和知識體系有關,如何建立一個人的認知體系很關鍵,系統性的認知體系,可以幫助我們在繁雜的事物中,找到原理,從而領悟事物的本質,從無序中找到有序的規律…!

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