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冷機和熱力學第二定理的克勞修斯表述

如果,將熱視為一種能量,那麼熱是如何傳導的? 如果在自然的情況下,「熱」總是自發性地從高溫處流到低溫處,是不是意味著「冷」無法自發性地從從低溫處流到高溫處呢?因為「蒸汽機」的成功,人們知道可以利用「熱機」來做功,那麼「冷機」的概念可不可行呢?既然「卡諾定理」認為「在自然的狀態下,熱只能從高溫流向低溫,這是不是意味著,利用「冷機」,讓環境溫度從高溫回到低溫是不可能的?

克勞休斯對這類問題的探索指出,「冷機」是可能的,但是,不同於「熱機」可以被用來輸出功,要創造一台「冷機」卻必須輸入功。如果熱機(如「蒸汽機」)的主要原理是利用反覆的熱做功,那麼冷機(如「冷氣機」和 「電冰箱」)則必須利用「熱機」來將高溫分子抽離才能將低環境溫度。從這點看,卡爾文爵士和克勞休斯對於熱力學第二定律的表述可說是源自「卡諾定理」的一體兩面,前者指出「所有的熱機必有一台散熱器」,後者指出「所有的冷機必有一台可以做功的熱機」。

 

克勞修斯對熱力學的貢獻同時還運用數學式捕捉「熵」的概念。然而,就如同相對於「物質」,「能量」對大多數人是難以掌握的概念,相對於「能量」,「熵」則顯得更難捉摸。事實上,如果換一個人提出這般難懂的概念,很可能會招來許多攻擊,但因為克勞修斯在科學界的地位崇高,所以吸引了許多人開始思索「熵」的概念。

就如同許多新觀念一般,「熵」的概念一開始可能「玄之又玄」,但只要找到對的脈絡,其實也相當直觀。在焦耳和熱力學第一定理,觀察的重點是在「量」,但是到了克勞修斯表述熱力學第二定理時,觀察的重點其實在「品質」,「熵」就是衡量能量「品質」的一種方式。在這種脈絡下,「熵」就是系統能量中不受控制、無法使用的一種能量。

從「卡諾原理」出發,只要沒有「熵」的存在,人們就可以找到全盤還原「歷史真相」的辦法,但是只要有「不受控制的能量損耗」,我們就不可能完全回到過去。

理想的冷機狀態意味著所有的狀態是可逆的,只要有心追查,所有秘密都無所遁逃。另一方面,正因為世上沒有真正的冷機,所以歷史雖然經常重演,但是人死終究不能復活。

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