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蒸汽機和熱力學第二定律的卡爾文表述

瓦特和茶壺的傳說廣為流傳。在這傳說中,瓦特藉由觀察茶壺的蒸氣活動中意識到蒸汽中潛藏着巨大的力量,於是反覆研究這種力量,最後發明了蒸汽機,創造了工業革命。

不過,實際上,觀察茶壺可能是許多對「卡路里」或「熱機」有興趣的人都會觀察的活動。瓦特(1736-1819)不過是眾多對「蒸汽」有興趣的人當中,成功地創造出較為理想的蒸汽機而成名。

不過,瓦特的腦子應該是屬於著重解決問題的「工程師腦」,所以他並未從蒸汽機的改良中提出影響後世的相關「熱理論」。然而,十八世紀的歐洲出了很多科學思想家,他們有些親自做實驗,有些則是不見得親自動手做,但很樂意聽聞最新的科學想法,設計相關的思想實驗。

最早試圖提出蒸汽機的科學原理的人應該是法國人卡諾(Carnot),藉由分析熱機(試圖用熱做功的機器)的工作程序,而提出關於「蒸汽機的工作原理」試圖找出熱機的最大工作效率。基本上,他沿用的「卡路里」的概念,將「熱」想像成一個流體,從一個熱體(高溫物體」流到 一個冷體「低溫物體」,「卡路里」的流動就是蒸汽機得以運轉的基本機制。在這種前提下,為了達到最高效率,一個理想的蒸汽機應該是使熱源的溫度越高越好,冷體的溫度越低越好。

不過,卡諾的這理論在當時聚焦於「控制」「熱」的工程師聽來是很荒繆的,所以,提出這「理想蒸汽機」模型的卡諾,並未受到多大關注,但是他的這種想法在沈寂了一段時間後,受到了英國的卡爾文爵士(1824- 1907)的關注,得以成為「熱力學」重要的思想實驗基礎。

但是,這不代表卡諾所有的假設都是正確的。不過,卡爾文爵士在讀過一些電流能生熱的論文後,開始與焦耳(James Joule)聯手,既推翻了「熱是一種物質」的觀念。也推翻了卡諾關於「理想蒸汽機」的設計,一部蒸汽機中其實是由三部分構成:熱體(熱源)、熱機(轉熱為功)、冷體(散熱)。卡爾文爵士也因而寫下了熱力學第二定律的最原始版本:「這世上無法製成從單一熱源取熱,不斷循環做功,且不引起其它變化的蒸汽機。」

熱力學對物理工程學影響深遠,但馬克斯威爾(Maxwell,1831-1879)提出的思想實驗或許可幫助一般讀者更加理解卡爾文的想法。

這個實驗是這樣的:假設有個小人(卡爾文爵士稱其為「馬克斯威爾的分類小惡魔」,他的工作就是負責把關,將速度快的空氣分子從B區往 A區跑,同時將速度慢的空氣分子從A區往B區跑。。

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因此,如果真有這樣一種小惡魔,系統內、熱的部分就會越來越熱,冷的部分越來越冷。在這種情況下,工程師就有可能依據「卡諾原理」造出「理想的蒸汽機」。

很可惜的是,在現實中,自然界並不存在這種依溫度分類的小惡魔,工程師也造不出這種小惡魔,因此 ——「理想的蒸汽機」就像卡爾文爵士所指出的一樣並不存在,對高低溫分子的分類既不完美、「熱與功」之間的轉換也就無從完美。

儘管如此,卡爾文爵士還是因為對熱力學的研究推導出絕對零度的存在,人們並且因此將他的名字用在絕對溫標的制定上。

當然,就像許多傑出的科學家一樣,卡爾文爵士作出了很多正確的判斷和貢獻,但也做出了許多後世認為明顯是錯的判斷,不過,這些錯誤的判斷依例不會寫入教科書,以免造成混淆。只是,根據卡爾文的熱力學表述,一般讀者也當領悟,理想的熱機既不存在,我們也不當假設理想的二元(善惡、優劣、美醜)判斷機器可以存在。