宇宙真的會“熱寂”嗎?——熱力學第二定律
熱力學第二定律發現的準備工作是卡諾完成的,但由於受熱質說的影響,他已推開了熱力學第二定律的大門而沒有跨進去,最終沒能把這一定律準確地表達出來。不過,卡諾的工作,為熱力學第二定律的發現奠定了基礎。最終發現熱力學第二定律的是開爾文和克勞修斯。
開爾文,原名威廉·湯姆遜,後由於在科學史的巨大貢獻而受冊封,稱開爾文勳爵。他從小就有小神童之稱。11歲上大學,22歲當上教授。他因鋪設著名的大西洋海底光纜而名揚天下。同時,他在科學的許多領域都做出過貢獻。
開爾文在熱力學方麵,開爾文早期信奉熱質說,反對能量守恒定律,直到1851年才改變立場,提出了熱力學第二定律。他認為:不可能用無生命的機器,把物質的任何一部分冷至比周圍最低溫度還低,從而獲得機械功。這就是熱力學第二定律的“開爾文表述”。這個表述後來被改造為:不可能從單一熱源取得熱使之完全變為有用功,而不產生其他影響。後來又被奧斯特瓦爾德表述為“第二類永動機是不可能製造成功的”。
對熱力學第二定律進行係統研究的應當首推德國物理學家克勞修斯。
克勞修斯1850年,克勞修斯在熱力學第一定律的基礎上重新研究了卡諾的工作,認為他揭示的一個熱機必須工作於兩個熱源之間的結論具有原則性的意義,然後用不同的表達式總結出了熱力學第二定律,即熱不可能獨自地、不付任何代價地,或者說沒有補償地從冷物體傳向較熱的物體;在一個孤立的係統內,熱總是從高溫物質傳到低溫物質中去,而不是相反。
盡管克勞修斯和開爾文對熱力學第二定律的表述不同,其實它們是等價的,並且都包含一個共同的真理,即熱機在工作過程中不可能把從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為有用的功,總要把一部分熱量傳給低溫熱源,這就是理想熱機的效率不可能達到100%的原因。
1865年,克勞修斯把熵的概念引入熱力學,用以說明熱力學第二定律。他指出:在孤立係統中,實際發生的過程總是使整個係統的熵值增加,所以熱力學第二定律又稱“熵增加原理”。
後來,克勞修斯把熱力學第二定律推向了宇宙這個大係統。他認為,宇宙的熵總是力圖達到某一最大值,當宇宙的熵達到最大值時,宇宙就失去了繼續變化的動力,這時,宇宙將處於某種惰性的死的狀態中,不再有多種多樣的生命形式,宇宙在熱平衡中達到寂靜和死亡。這樣,克勞修斯就從熱力學第二定律得出了宇宙“熱寂說”。