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热二定律  

2016-01-25 11:07:09|  分类: 西窗杂说 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    热力学的概念虽然简单,却给人印象深刻。关于热力学的两个基本定律,一言以蔽之:宇宙的总能量是个常数,而总的熵却是不断增加的。
    热力学第一定律是能量守恒定律,其中心内容是,能量既不能被创造,也不能被消灭,但是它可以从一种形式转化为另一种形式。
     世间万物的形态、结构和运动,都是能量的不同聚集与转化形式的具体表现。楼群的出现、草木的生成,是能量聚集的表现。楼群夷为平地、草木不见踪影,它们原先包含的能量被转移到了别的地方。
     如果需要考虑的仅仅只是热力学第一定律,那人们滥用那万世不竭的能源也就没有什么奥妙了。然而,谁都知道,世界并非如此。我们烧掉一块煤,它的能量经过转化随着二氧化碳和其他气体一起散发到空间中去了。虽然能量并没有消失,但我们却再也不能把同一块煤重新烧一次来。热力学第二定律解释了这个现象。它告诉我们,每当能量从一种状态转化到另一种状态时,我们就会“得到一定的惩罚”。这个惩罚就是我们损失了能在将来用于做某种功的一定能量。这就是所谓的“熵”。
     1868年,热力学的奠基人、德国物理学家克劳修斯首先明确了“熵”的含义:熵是不能再被转化做功的能量的总和。法国物理学家卡诺在研究热机效率的过程中,提出了“卡诺循环”定理。后来人们才知道,他比克劳修斯早41年发现了熵的原理。卡诺发现,蒸汽机之所以能做功,是因为蒸汽机系统里的一部分很冷,而另一部分却很热。也就是说,要把能量转化为功,一个系统的不同部分之间就必须有能量集中程度的差异。当能量从一个较高的集中程度转化到一个较低的集中程度,或由较高温度变为较低温度时,它就做了功。同时意味着下一次能再做功的能量就减少了。河水受到水坝的阻挡,水位提高了,河水从水坝上跌落下来,可以被驱动水轮,让水轮带动电机发电,或者做其他形式的功。然而水一旦落到坝底,就处于不能再做功的状态。在水平面上,没有任何势能的水,就连最小的轮子也带不动。这两种不同的能量状态,分别被称为有效能量和无效能量。
     熵的增加,就意味着有效能量减少。每当自然界发生某种变化,一定的能量就被转化成了不能再做功的无效能量。被转化成无效状态的能量,构成了污染。许多人以为污染是生产的副产品,但实际上耗散了的能量就是污染。既然根据热力学第一定律,能量既不能被产生又不能被消灭;而根据热力学第二定律,能量只能沿着一个方向即耗散的方向转化。所以,污染是熵的同义词,是某一系统中存在的一定单位的无效能量。
     克劳修斯意识到,在一个封闭系统里,能量水准的差异总是趋向于零。把烧红了的火钳从火堆里取出来,火钳开始冷却,而周围空气的温度却开始上升。经过足够长的时间之后,火钳的温度和周围空气的温度就会完全一样。水在平面时就处于这种状态。在这两种情况下,冷却了的铁钳与平面上的水都不能再做有用的功了,它们的能量是封闭的,是无效的。但这并不是说人们就不能重新用水桶把水从坝底提到坝顶再让水跌落下来,或者把火钳再一次加热。然而这两个过程又将进一步消耗新的、有效的能量。
     地球上只有两个有效能量的来源,一个是地球本身所蕴藏的能量,另一个是太阳能。地球本身的能源是有限的。太阳能虽然就其总能量而言是永不枯竭的,但按其到达地球的速率和形式而言,却是十分有限的。太阳的能量总和每秒钟都在递减,不过,远在它的熵达到最大值之前,地球已不复存在。
     当然在一段孤立的时间内的一个特定场合,人们可以逆转熵的过程,但同时却必须消耗更多的能量,并使整个环境的熵的总值进一步增加。这一点对工业回收有着特殊意义。许多人相信,只要我们发展适当的技术,那么所有使用过的东西,可以完全回收并再次使用。其实,这种主设想很不靠谱。尽管更为有效的回收技术对我们这个星球的生存的确有着十分重要的意义,但是,要做到接近百分之百的回收,是不可能的。目前绝大多数金属的平均回收率只有三成。而且回收过程中废旧材料的收集、运输和处理都要消耗额外的能量,将会导致同一环境里熵的急剧增加。


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