ΔS≥0
读作“DeltaS永远大于或等于零”,们把它称为“热力学第二定律”(热力学第定律是能量守恒定律)
之中。
萨迪·卡诺年轻时对蒸汽机充满热情。19世纪伊始,蒸汽机利用火推动机器运转,进而开始改变世界。1824年,他写本小册子,标题很吸引人,叫《论火动力》,试图阐明这些机器运转理论基础。这本短小专著中包含些错误假设:他假设热量是种有形实体——种流体,从高温物体“下落”到低温物体时会产生能量,就像瀑布水从高处落到低处时会产生能量样。这其中包含个关键性概念:归根结底,蒸汽机运转是由于热量从高温物体传到低温物体。
萨迪小册子传到位目光如炬、严格苛刻普鲁士教授手里,这位教授名字是鲁道夫·克劳修斯(RudolfClausius)。他在紧要关头抓住问题根本,阐述条注定留名定律:不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。
此处关键点在于其与物体下落时区别,例如,个球可能会下落,但它也会反弹回来,热量则不然。
这是唯条能够把过去与未来区分开物理定律。
其他任何条定律都无法做到这点。掌管力学世界牛顿定律不行,描述电与磁麦克斯韦方程组不行,爱因斯坦相对论引力方程不行,海森堡、薛定谔、狄拉克量子力学方程也不行,描述基本粒子20世纪物理学还是不行……这些方程都无法把过去与未来区别开。2如果这些方程允许系列事件发生,那也会允许这系列事件在时间上逆过程发生。3在世界基本方程中4,仅仅在有热量地方,时间之矢才会出现。[2]因此时间与热量联系是根本性:每当过去与未来差别显现,都会有热量参与其中。如果个过程倒过来看很荒谬,那定有东西被加热。
如果段影片中有只球在滚动,无法分辨影片是正常放映还是在倒放。但是如果球停下来,就知道是正着播放。倒放话,这就是不可能发生事:球自己动起来。球减速到最终静止下来,是由于摩擦,摩擦生热。只有在有热量地方,才会有过去与未来差别。例如念头,从过去延展至未来,而非反之——实际上,思考也会在们大脑中产生热量。
克劳修斯引入个量,来量度热量单向不可逆过程。由于他是个很有学识德国人,他用古希腊语“熵”为之命名:
喜欢用古代语言来给重要科学量命名,这样它们就不会在现在依然在使用各种语言中发生变化。因此建议把物质这个量命名为“熵”,在希腊语中意为“转化”。
克劳修斯“熵”用字母S表示,是个可测量也可计算5量,在孤立系统中会增加或保持不变,但永不减少。为表示它永不减少,们可以这样写:
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