低碳能源课程讲座(一)

1、p自然法则p蒸汽机带来的学问 p妖从来都没赢过p墓碑上的公式p社会越来越发展，严重的能源与环境社会越来越发展，严重的能源与环境挑战挑战？p在时间长河中只能淌过一次？生命流逝不在时间长河中只能淌过一次？生命流逝不可可逆转逆转？p生活越来越生活越来越复杂复杂，越来越不确定？，越来越不确定？p省时省力的发明越来越多，拥有的省时省力的发明越来越多，拥有的时间时间却却越来越少越来越少？29p这些困惑或许能从热力学原理中找到解释p热力学第一定律能量守恒定律p热力学第二定律熵增的不可逆性 Jack Hokikianp 受过开明教育的人，应该懂些；p 任何一个有点智力的人，即使没有或几乎完全没有科学和数学的背

2、景，也只需要适度的努力便可以懂得。 Charles Percy Snowthe Two Cultures and the Scientific RevolutionCharles Percy Snow （ 1905.10.15-1980.7.1）英国科学家，小说家能量的概念已被证明是人类生活所有领域中具有最重要意义的物理学概念R. Bruce Lindsayp 惠更斯发现：在完全弹性碰撞运动中，一个物体的质量乘以它移动速度平方这个量保持不变，即：p 莱布尼兹男爵称这个量为运动物体的“活力”但有些过程（如落体）物体的活力并不保持永恒不变p 沙特莱推测能量守恒包括两个，“活力”和“死力”两者可以相

3、互转换但两者总量不变。p 拉格朗日将这个概念明确：在一个运动系统中的能量包括动能和势能。死力=潜在能量（势能）沙特莱侯爵夫人（1706 1749）她将牛顿的自然哲学的数学原理翻译成了法文，该版本至今仍在使用。2mvC 公元前四元素/五行说1593年伽利略温度计1695年巴本蒸汽机1705年纽可门蒸汽机1769年瓦特蒸汽机工业革命1742年摄氏温标1825年热机用于轮船/火车1854年开尔文温标热质论热运动论VS拉瓦锡1743年1794年，法国贵族，著名化学家、生物学家，被后世尊称为近代化学之父道尔顿1766年1844年英国化学家、物理学家。近代原子理论的提出者约瑟夫普里斯特利 (1733180

4、4)，发现氧气的伟大英国化学家。1766年当选为英国皇家学会会员。1782年当选为巴黎皇家科学院的外国院士。弗朗西斯培根（1561 - 1626）罗伯特波义耳（16271691），英国化学家，化学史家都把1661年作为近代化学的开始年代，因为这一年有一本对化学发展产生重大影响的著作出版问世，这本书就是怀疑派化学家The Sceptical Chemist，它的作者是英国科学家罗伯特波义耳。革命导师马克思、恩格斯也同意这一观点，他誉称“波义耳把化学确立为科学”。1.1. 热是一种物质热是一种物质, ,即热质说即热质说2. 热是物体粒子的内部运动热是物体粒子的内部运动 古希腊的原子论把热描绘成一种

5、特殊的古希腊的原子论把热描绘成一种特殊的,不可直接觉察不可直接觉察的物质的物质;其结构与其他的物质一样其结构与其他的物质一样,也是由原子构成的也是由原子构成的;大概大概还具有一定的重量。还具有一定的重量。“热是一种实实在在的物质实体，一种非常微妙的流体热是一种实实在在的物质实体，一种非常微妙的流体”能够渗透到所有空间并能从所有物质中流进流出。能够渗透到所有空间并能从所有物质中流进流出。因此：这种物质存在是物体变热，随着它离开物体变冷。因此：这种物质存在是物体变热，随着它离开物体变冷。 历史上历史上笛卡尔笛卡尔、波义耳、胡克等人、波义耳、胡克等人主张这一观点。继主张这一观点。继胡克之后反对热质说

6、的还有胡克之后反对热质说的还有丹尼尔丹尼尔伯努力伯努力和和罗蒙诺索夫罗蒙诺索夫。罗蒙诺索夫关于热理论的观点包含在他的著作中，罗蒙诺索夫关于热理论的观点包含在他的著作中，1749年年发表的发表的“关于热和冷的原因之沉思关于热和冷的原因之沉思”“热热是由物质的粒子运动而产生的是由物质的粒子运动而产生的” 分析当时热质说占优势的主要原因是分析当时热质说占优势的主要原因是:当时人当时人们把热现象和其他现象割裂开来研究们把热现象和其他现象割裂开来研究,还未注意到还未注意到它们之间的相互关系和转化它们之间的相互关系和转化;热质说比热的运动说热质说比热的运动说更为简明更为简明,用热质说能很好地解释当时已发现

7、的热用热质说能很好地解释当时已发现的热现象现象,因此易于被人们接受因此易于被人们接受;热质说更能迎合热质说更能迎合18世纪世纪在物理学和化学研究中占统治地位的形式主义倾在物理学和化学研究中占统治地位的形式主义倾向向. 另外另外牛顿牛顿“不臆造假说不臆造假说”的思想的思想还很有影还很有影响响,大多数物理学家不愿接受当时还看不见摸不大多数物理学家不愿接受当时还看不见摸不着的比较复杂的分子运动假说着的比较复杂的分子运动假说. 1818世纪末世纪末, ,热质说受到了严重的挑战热质说受到了严重的挑战, ,致力于推翻热的致力于推翻热的物质说的物理学家是伦福德伯爵物质说的物理学家是伦福德伯爵本杰明汤普森（拉

8、姆福德伯爵）Benjamin Thompson(Rumford),17531814英籍物理学家p自然法则p蒸汽机带来的学问 p妖从来都没赢过p墓碑上的公式16951695年，荷兰物理学家惠更斯的学生和助年，荷兰物理学家惠更斯的学生和助手手法国人巴本法国人巴本（1647-17141647-1714）第一个发明了）第一个发明了汽缸有活塞的蒸汽机，用以取水和推磨。汽缸有活塞的蒸汽机，用以取水和推磨。虽然结构不完善，但虽然结构不完善，但它是第一个蒸气在汽它是第一个蒸气在汽缸内作功的机器缸内作功的机器巴本巴本 在实验时，他先将汽缸的底部注入少量的水，再把汽缸放在实验时，他先将汽缸的底部注入少量的水，再把

9、汽缸放到火上加热。当汽缸内的水沸腾后，蒸汽即推动活塞慢慢到火上加热。当汽缸内的水沸腾后，蒸汽即推动活塞慢慢上升；然后，又把火从汽缸下抽掉，汽缸内的蒸汽即慢慢上升；然后，又把火从汽缸下抽掉，汽缸内的蒸汽即慢慢冷凝。由于蒸汽的冷凝，汽缸内产生真空，在大气压力的冷凝。由于蒸汽的冷凝，汽缸内产生真空，在大气压力的推动之下，活塞又慢慢下降。推动之下，活塞又慢慢下降。 通过这一实验，使巴本认识到，利用蒸汽压力、大气压力、通过这一实验，使巴本认识到，利用蒸汽压力、大气压力、真空作用的交互作用，完全可以推动汽缸内的活塞及其活真空作用的交互作用，完全可以推动汽缸内的活塞及其活塞杆作往返的直线运动。而这种运动所产

10、生的机械动力可塞杆作往返的直线运动。而这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械的运动。以带动其他机械的运动。巴本巴本 在发明带有活塞的蒸在发明带有活塞的蒸汽泵之后，考虑到蒸汽泵之后，考虑到蒸汽压力大可能会使汽汽压力大可能会使汽缸爆炸，巴本又在缸爆炸，巴本又在16801680年发明了安全阀。年发明了安全阀。 这样，第一台可以把这样，第一台可以把热能转变为机械能的热能转变为机械能的实验型的蒸汽泵，就实验型的蒸汽泵，就于于16801680年在英国试验年在英国试验成功了。成功了。英国皇家工英国皇家工程队的军事工程程队的军事工程师发明第一台用师发明第一台用于生产的蒸汽机于生产的蒸汽机16981698年年

11、英国人赛维利英国人赛维利（1650-17151650-1715）也提出了类似的机器。）也提出了类似的机器。 继巴本之后，在近代蒸汽继巴本之后，在近代蒸汽动力技术的发展中作出重要贡动力技术的发展中作出重要贡献的是英国机械工程师赛维利献的是英国机械工程师赛维利（T.SaveryT.Savery 1650-1715 1650-1715）。）。 赛赛维利的汽缸与巴本的汽维利的汽缸与巴本的汽缸很不相同。赛维利的汽缸未缸很不相同。赛维利的汽缸未采用活塞，只是在其中接有吸采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和进汽管。水管、排水管和进汽管。 当蒸汽从锅炉经过汽管进入汽缸后当蒸汽从锅炉经过汽管进入汽缸后即使这

12、部分蒸汽冷却，而冷却后造成的即使这部分蒸汽冷却，而冷却后造成的真空就把矿井中的水从吸水管中吸进来，真空就把矿井中的水从吸水管中吸进来，此时再将蒸汽注入汽缸，这部分进入汽此时再将蒸汽注入汽缸，这部分进入汽缸的蒸汽所产生的压力就把水从排水管缸的蒸汽所产生的压力就把水从排水管中排放出来。后来，赛维利研究了巴本中排放出来。后来，赛维利研究了巴本的蒸汽泵，在他的蒸汽泵中也采用了安的蒸汽泵，在他的蒸汽泵中也采用了安全阀。全阀。纽科门纽科门 纽科门纽科门( (NewcomenNewcomen，Thomas)Thomas)是英是英国工程师，蒸汽机发明人之一。他发明国工程师，蒸汽机发明人之一。他发明的常压蒸汽机

13、是瓦特蒸汽机的前身。的常压蒸汽机是瓦特蒸汽机的前身。 纽科门幼年仅受过初等教育，少年时纽科门幼年仅受过初等教育，少年时代做过锻工。代做过锻工。1717世纪世纪8080年代同卡利合伙年代同卡利合伙经营铁器，后来共同研制蒸汽机，并于经营铁器，后来共同研制蒸汽机，并于17051705年取得年取得“冷凝进入活塞下部的蒸汽冷凝进入活塞下部的蒸汽和把活塞与连杆联接以产生运动和把活塞与连杆联接以产生运动”专利专利权权。 此后，纽科门继续改进蒸汽机，于此后，纽科门继续改进蒸汽机，于17121712年首次制成可供年首次制成可供实用的大气式蒸汽机，被称为纽科门蒸汽机。实用的大气式蒸汽机，被称为纽科门蒸汽机。 这台

14、蒸汽机的汽缸活塞直径为这台蒸汽机的汽缸活塞直径为30.4830.48厘米厘米, ,每分钟往复每分钟往复1212次，功率为次，功率为5.55.5马力。但热效率低，燃料消耗量大，仅适用马力。但热效率低，燃料消耗量大，仅适用于煤矿等燃料充足的地方。于煤矿等燃料充足的地方。瓦特 瓦特瓦特 (1736-1819) (1736-1819) 是是世界公认的蒸汽机发明家。世界公认的蒸汽机发明家。 他的创造精神、超人他的创造精神、超人的才能和不懈的钻研为后的才能和不懈的钻研为后人留下了宝贵的精神和物人留下了宝贵的精神和物质财富。瓦特改进、发明质财富。瓦特改进、发明的蒸汽机是对近代科学和的蒸汽机是对近代科学和生产

15、的巨大贡献，具有划生产的巨大贡献，具有划时代的意义，它导致了第时代的意义，它导致了第一次工业技术革命的兴起，一次工业技术革命的兴起，极大的推进了社会生产力极大的推进了社会生产力的发展。的发展。 17641764年，学校请瓦特修理一年，学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，在修理的台纽可门式蒸汽机，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，并且发现了这种构造和原理，并且发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。以后，瓦特开始思浪费原料。以后，瓦特开始思考改进的办法。考改进的办法。 直到

16、直到17651765年的春天，在一年的春天，在一次散步时，瓦特想到，既然纽次散步时，瓦特想到，既然纽可门蒸汽机的热效率低是蒸汽可门蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成的，那么为什在缸内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特产生了采用分离冷凝器的瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。最初设想。瓦特 从从17661766年开始，在三年多的时间里，瓦特克服年开始，在三年多的时间里，瓦特克服了在材料和工艺等各方面的困难，终于在了在材料和工艺等各方面的困难，终于在17691769年年制出了第一台样机。自制出了第一台样机。自17691769年试制出带有分离冷年试制出带有

17、分离冷凝器的蒸汽机样机之后，瓦特就已看出热效率低已凝器的蒸汽机样机之后，瓦特就已看出热效率低已不是他的蒸汽机的主要弊病，而活塞只能作往返的不是他的蒸汽机的主要弊病，而活塞只能作往返的直线运动才是它的根本局限。直线运动才是它的根本局限。 17811781年，他研制出了一套被称为年，他研制出了一套被称为“太阳和行星太阳和行星”的齿轮联动装置，终于把活塞的往返的直线运动转的齿轮联动装置，终于把活塞的往返的直线运动转变为齿轮的旋转运动。瓦特还在轮轴上加装了一个变为齿轮的旋转运动。瓦特还在轮轴上加装了一个火飞轮。由于对传统机构的这一重大革新，瓦特的火飞轮。由于对传统机构的这一重大革新，瓦特的这种蒸汽机才

18、真正成为了能带动一切工作及的动力这种蒸汽机才真正成为了能带动一切工作及的动力机。机。 17811781年底，瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械年底，瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二个专利。联动装置获得第二个专利。瓦特 年，试制出了一种带有双向装置的新汽年，试制出了一种带有双向装置的新汽缸。由此瓦特获得了他的第三项专利。把原来的单缸。由此瓦特获得了他的第三项专利。把原来的单项汽缸装置改装成双向汽缸，并首次把引入汽缸的项汽缸装置改装成双向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽，这是瓦特在改进纽蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽，这是瓦特在改进纽可门蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过这三

19、次技可门蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽可门蒸汽机完全演变为了瓦特蒸汽机。术飞跃，纽可门蒸汽机完全演变为了瓦特蒸汽机。 17841784年，瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双年，瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第四项专利。可门蒸汽机过程中的第四项专利。 17881788年，瓦特发明了离心调速器和节气阀；年，瓦特发明了离心调速器和节气阀；17901790年，他又发明了汽缸示工器，至此瓦特完成年，他又发明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。了蒸汽机发明的全过程。瓦特

20、 1785年，瓦特被当选为英国皇家学会会员。年，瓦特被当选为英国皇家学会会员。 1814年，他被法国科学家学会接纳为外国会员。年，他被法国科学家学会接纳为外国会员。 1790年以后，优厚的专利税使瓦特成为一个很年以后，优厚的专利税使瓦特成为一个很有钱的名人。有钱的名人。1819年年8月月5日，瓦特在希思菲尔德郡日，瓦特在希思菲尔德郡的家里去世，遗体埋葬在汉德沃尔斯郊区的教堂里。的家里去世，遗体埋葬在汉德沃尔斯郊区的教堂里。 恩格斯在恩格斯在自然辨证法自然辨证法中这样写道：中这样写道：“蒸汽蒸汽机是第一个真正国际性的发明机是第一个真正国际性的发明瓦特个它加上了瓦特个它加上了一个分离的冷凝器，这就

21、使蒸汽机在原则上达到了一个分离的冷凝器，这就使蒸汽机在原则上达到了现在的水平。现在的水平。” 瓦特为蒸汽机的推广使用做出了不可磨灭的重瓦特为蒸汽机的推广使用做出了不可磨灭的重要贡献、有力的推动了社会的前进。后人为了纪念要贡献、有力的推动了社会的前进。后人为了纪念这位伟大的发明家，把功率的单位定为这位伟大的发明家，把功率的单位定为“瓦特瓦特”。 蒸汽机从开始出现到最后完善经历了大约一百年，对蒸汽机从开始出现到最后完善经历了大约一百年，对社会生产和人类生活产生了巨大的影响。社会生产和人类生活产生了巨大的影响。 18071807年美国人富而顿年美国人富而顿（1765-18151765-1815）在纽

22、约制造了第一）在纽约制造了第一艘客船艘客船“clermonfclermonf”号。号。 18141814年英国煤矿工人斯蒂芬森年英国煤矿工人斯蒂芬森（1781-18481781-1848）制造了第）制造了第一台蒸气机车，一台蒸气机车，18251825年被应用于火车和铁路。英国成为年被应用于火车和铁路。英国成为当时世界工业最发达的国家，形成了第一次世界技术革当时世界工业最发达的国家，形成了第一次世界技术革命命蒸气时代。蒸气时代。18421842年法国、德国和意大利的资产阶级年法国、德国和意大利的资产阶级革命动摇了欧洲封建统治和农奴制度。革命动摇了欧洲封建统治和农奴制度。 恩格斯说：恩格斯说：“蒸

23、汽机是一个真正的国际的发明，而这蒸汽机是一个真正的国际的发明，而这个事实又证明了一个巨大的历史性进步。个事实又证明了一个巨大的历史性进步。”19世纪40年代，有几个科学家在不同地点、用不同的途径、各自独立地提出了能量守恒定律。其中以迈耶、焦耳、亥姆霍兹的工作最为著称。迈耶的研究带有哲学思辨的色彩，对那些习惯于用牛顿力学计算和定量实验来定义科学的人们来说，是无法使人信服的。况且迈耶正在阐述的是一种可以把过去物理科学几个独立分支统一起来的新观点，可是这种观点的成效在当时还不明显。大约有10年之久，迈耶的工作几乎没有受到注意。他受到了激烈的反对，粗暴的中伤，一直在逆境中奋斗。焦耳关于热功当量的测定更

24、是确立能量守恒定律的实验基础。焦耳在实验的基础上，写出论磁电的热效应及热的机械值论文，并在1843年8月21日英国科学协会数理组会议上宣读。他强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的，哪里消耗了机械能或电磁能，总在某些地方能得到相当的热。这对于热的动力说是极好的证明与支持。因此引起轰动和热烈的争议。为了进一步说服那些受热质说影响的科学家，他又利用更有效和更精确的装置进行实验。例如，将压缩一定量空气所需的功与压缩产生的热量作比较确定热功当量；其中特别著名的也是今天仍可认为是最准确的桨叶轮实验。通过下降重物带动量热器中的叶片旋转，叶片与水的摩擦所生的热量由水的温升可准确测出。他还用其他液体（如鲸油、

25、水银）代替水。不同的方法和材料得出的热功当量都是423.9千克重米每千卡或趋近于423.85千克重米每千卡。 Q - heat in Joules or calories m - mass in kilograms DT - change the temperature in Kelvin C has units of J/kg K or kcal/kg K 1 calorie = 4.184 JoulesTmQCD焦耳的威廉汤姆森(William Thomson)汤姆孙参观了焦耳的试验室里各种自制的仪器，他深深为焦耳的坚韧不拔而感动。汤姆孙真诚地对焦耳说：“请您原谅，一个科学家在新观点面前有

26、时也会表现得很无知的。” 1853年，两人终于共同完成能量守恒和转化定律的精确表述。赫尔曼路德维希斐迪南德冯亥姆霍兹（Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz，18211894）德国物理学家、数学家、生理学家、心理学家。p 一切科学都可以归结到力学。p 强调了牛顿力学和拉格朗日力学在数学上是等价的，因而可以用拉氏方法以力所传递的能量或它所作的功来量度力。p 所有这种能量是守恒的。亥姆霍兹发展了迈耶（Julius Robert Mayer）、詹姆斯普雷斯科特焦耳（James Prescott Joule）等人的工作，讨论了已知的力学的、热学的、电学的、化学的各

27、种科学成果，严谨地论证了各种运动中能量守恒定律。 1847年他在德国物理学会发表了关于力的守恒讲演，这次讲演内容后来写成专箸力之守恒出版。为了证明能量守恒定律成立，他拿出了一个支持他观点的杀手锏：早在1775年巴黎科学院就做出决定，不再接受有关永动机观点的申述，并将其归于不可实现一类的范畴。EQWDp 什么是能做的，什么是不能做的；p 帮助我们排除不可能性，最大限度保存有用的资源，避免做无用功；对于热力学第一定律，其原理是经过人类一个世纪的反复验证的，就是说“绝不可能获得永动机”即制造一台发动机可周而复始地做功或产生动能，而没有任何消耗，这是不可能的普朗克p自然法则p蒸汽机带来的学问 p妖从来

28、都没赢过p墓碑上的公式科学研究没有禁区，总是有人在寻找着热力学第二定律的反例，其中最著名的就是1871年物理学家麦克斯韦设计的一个头脑实验麦克斯韦妖。他假设了一个密闭的容器，由一个没有摩擦力的隔板分成AB两部分，隔板上有个由妖魔控制的阀门。起初两侧温度相同，当高速分子由A向B运动或慢速分子由B向A运动时，妖魔就打开阀门令其通过，反之，当高速分子由B向A运动或慢速分子由A向B运动时，妖魔就关闭阀门。久而久之，高速分子都跑到了B区，慢速分子都跑到了A区，于是随着时间的继续，在没有能量消耗的情况下，容器右边越来越热，左边越来越冷，当温差形成时，便可以利用温差发动一台热机做功。这只想象中的妖魔打破了“

29、封闭系统的熵只能增加”的热力学第二定律。科学界将这类违背热力学第二定律的热机称为“第二类永动机”。http:/ p 热力学第二定律告诉我们，一旦某一系统中的达到了温度均衡，就无法在从系统中吸取功了。而系统中单个分析的能量是不均等的，那么依据系统内各分子能量不均的条件，能建立第二类永动机吗？p 上述例子中的整个系统包括：容器，气体，活动门和妖，活动门在打开和关闭时是一个耗费能量的机械装置，而且随着气体分子向右输运越来越多，它的作用越来越小，活动门本身和它的控制作用都受到温度波动的制约。p 妖是如何观察单个分子的？因为是同一温度下被隔绝的封闭系统，整个系统充满均质发热的气体分子，它不可能看见什么，

30、必须借助于闪光信号灯之类的照明工具才能看到单个气体分子。那么就有额外的热源引入打破了这个“封闭系统”。没有付出就不会有收获，甚至更不会观察到什么。Gabor Dennis（1900-1979）1971年诺贝尔物理学奖得主“麦克斯韦妖”实际上必须消耗能量来确定哪个分子是热的、哪个分子是冷的。匈牙利物理学家冯劳厄（1879-1960）1914年诺贝尔物理学奖得主理查德费曼（Richard P.Feyrman）1918年出生，1939年于麻省理工学院毕业后，进入普林斯顿大学研究院，又加入罗拉拉摩斯实验室，对原子弹的发展贡献卓著。1965年与薛温格和朝永振一郎共获诺贝尔物理奖。1988年2月因患癌症辞

31、世。费曼的思想如天马行空，喜自辟蹊径，且从不固执，求知欲极强。他很爱恶作剧，但往往只为点出世间许多荒谬之处。确如洛杉矶时报所说的，“任何读这本书而不大笑出声的人，心理一定有毛病。”p 20世纪50年代，法国物理学家布里渊用信息论驱逐了这只妖魔，捍卫了热力学第二定律的正确性。布里渊在其专著科学与信息论及一系列论文中，从信息论的角度分析了妖魔的分辨本领及控制能力的来源。由于容器是密闭的孤立系统，妖魔处于绝对黑体中，它是不可能看清任何东西的，当然也就无法分辨分子运动的速度和方向，系统只能继续处于原来的平衡态中。除非外面提供光亮，它才有可能看清楚并正确控制阀门，从而增加系统的有序性并使熵减少，但这种有

32、能量输入的系统就不再是孤立系统了，当然就不再适用于热力学第二定律了。布里渊还进一步分析了信息论中的熵与热力学中的熵的定量关系，得出了公式1bit=kln2(J/K)，其物理意义是：要获取1bit的信息，其熵必定减少kln2=0.95710-23(J/K)，其中k=1.3810-23(J/K)。例如T为300K时，则要消耗2.8710-21（J）的能量。信息的获取必须借助于一定的物质过程，而且伴随着一定能量的消耗，不耗损能量而获得信息是不可能的，所以说孤立系统中的妖魔是不可能存在的。1961年，IBM物理学家罗夫兰道尔（Rolf Landauer）证明，重置1比特的信息都会释放出热量，也就是说，

33、将计算机中的一个二进制比特位置零，不管初始值为1或0，都会释放出极少的热量。2010年，自然-物理学网络版报道，日本中央大学理工学部的鸟谷部祥一和东京大学的佐野雅树领导的团队在实验室让一个直径为287纳米的聚苯乙烯小球沿电场制造的微小旋转阶梯向上爬动，并将小球拍照。小球可以随机朝任何方向运动，由于向上爬会增加势能，因此其往下一层的概率更大，如果不人为干扰，小球最终会掉至最底层。在实验中，当小球沿阶梯向上爬一层后，研究人员就使用电场在小球爬上的那层阶梯加一面“墙”，让小球无法回到低的那一层，这样小球就能一直向上爬。该小球能爬阶梯完全由“自己的位置”这一信息所决定，研究人员无需施加任何外力(比如注

34、入新能量等)，仅需一个感应系统(比如摄像机)。另外，他们也能精确地测量出有多少能量由信息转化而来。这同样也是一个熵减过程实验，其主要贡献是纳米尺度上的精密控制新技术。“孤立系统”是热力学第二定律的熵增原理必不可少的条件，而这项研究借助的系统不是孤立系统，而是与外界有能量交换的开放系统，这里使用的是电能。研究结论不仅不是对热力学第二定律的挑战，恰恰相反，是对该定律的验证，若把实验室的电闸拉了，什么也不会发生。新实验直接证明了信息可以转化为能量，尽管如此，新技术仍无法解决人类目前面临的能源危机。“在将信息转化为能量时，真正的能源成本掩藏于外部（包括实验的操作者），因此，该实验就如同人们试图使用原子

35、核聚变来产生能量，其实核反应本身耗费的能源可能更多。”p 蒸汽机发明了，如何提高效率？hotWQ尼古拉莱昂纳尔萨迪卡诺（Nicolas Lonard Sadi Carnot1796年1832年单独提供热不足以给出推动力，必须还要有冷，没有冷，热将是无用的桑迪 卡诺关于火的动力及专门产生这种动力的机器的见解 11100%ccChhQTQT 在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切实际热机，其效率都不会大于在同样的热源之间工作的可逆卡诺热机的效率。提高热机效率指明了方向p 在自然条件下任何事物，包括能量，不可能无缘无故地消失。当热流体自由地从一个热物体流向一个冷物体，机械能是怎么不通

36、过热机而以直接减少的方式消失的？鲁道夫尤利乌斯埃马努埃尔克劳修斯（1822年1月2日1888年8月24日），德国物理学家和数学家，热力学的主要奠基人之一。 states in which direction a process can take place heat does not flow spontaneously from a cold to a hot body heat cannot be transformed completely into mechanical work it is impossible to construct an operational perpetua

37、l motion machine introduces concept of entropyp自然法则p蒸汽机带来的学问 p妖从来都没赢过p墓碑上的公式在整个物理学中没有哪个概念比熵更难理解，也没有哪个概念比熵更重要。美国物理学家西尔斯（1898-1975） property that indicates the direction of a process entropy is a measure of disorder entropy is a measure of a systems ability to do useful work entropy determines directi

38、on of time the entropy of an isolated system increases熵是一种世界观熵是一种世界观熵是一种世界观人们通过大量观察、实验，概括出热现象的自然规律热力学第二定律 克劳修斯克劳修斯表述：不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化（即热量不会自动地从低温物体传到高温物体）外界需对系统作功，就属“其它变化”。此表述说明热传导过程的不可逆性。德国物理学家和数学家，热力学的主要奠基人之一。他重新陈述了萨迪卡诺的定律（又被称为卡诺循环），把热理论推至一个更真实更健全的基础。开始时，4 4个分子都在A A部，抽出隔板后分子将向B B部扩散并在整个容器

39、内无规则运动。隔板被抽出后，4 4分子在容器中可能的分布情形如下图所示：微观态共有微观态共有2 24 4=16=16种可能的方式，而且种可能的方式，而且4 4个分个分子全部退回到子全部退回到A A部的可能性即几率为部的可能性即几率为1/21/24 4=1/16=1/16 一般来说，若有一般来说，若有N N个分子，则共个分子，则共2 2N N种可能方种可能方式，而式，而N N个分子全部退回到个分子全部退回到A A部的几率部的几率1/21/2N N. .对对于真实理想气体系统于真实理想气体系统10102323/mol/mol，这些分子，这些分子全部全部退回到退回到A A部的几率为部的几率为2310

40、21 对单个分子或少量分子来说，它们扩散到对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B B部的过程原则上是可逆的。但对大量分子组成部的过程原则上是可逆的。但对大量分子组成的宏观系统来说，它们向的宏观系统来说，它们向B B部自由膨胀的宏观过部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。程实际上是不可逆的。 热力学第二定律所表达的不可逆性质实际上是这样一种统计必然性：对于一个不受外界影响的孤立系统，其内部发生的任何过程，总是从几率小的状态向几率大的状态进行。这就是热力学第二定律的统计意义 熵是热力学系统中几率或无序度的量度，几率越大，无序度越高则熵越大。所以孤立系统中一切实际过程是向着熵增加的方向进行。系统处于

41、该宏观态时的熵系统处于某一宏观态的热力学概率（即该宏观态所含微观态的数目）玻耳兹曼常量 熵这个物理量它是根据热力学第二定律熵这个物理量它是根据热力学第二定律确定的一个新的状态函数确定的一个新的状态函数 熵是反映任何系统在微观层次上的熵是反映任何系统在微观层次上的无序程无序程度度的，微观无序度增加，熵就增加的，微观无序度增加，熵就增加 熵可以通过测量系统的温度和热能来确定熵可以通过测量系统的温度和热能来确定熵，但我们更关心的是熵，但我们更关心的是熵的变化熵的变化 可以证明：任何物理过程中各个参与者的可以证明：任何物理过程中各个参与者的总熵必定是要么增加要么保持不变；熵不会减总熵必定是要么增加要么

42、保持不变；熵不会减少这就是少这就是熵增加原理熵增加原理。不可逆过程可逆过程取取 孤立（或绝热）系统内部所发生的过程不可逆时，其熵增加；所发生的过程可逆时，其熵不变。 熵的增加是能量退化的量度，自然界的实际过程都是不可逆过程，即熵增加的过程 每利用一份能量，就会得到一定的惩罚-把一部分本来可以利用的能量变为退化的能量。 退化的能量，实际上就是环境污染的代名词，节约能源就是保护杯境，而保护环境就是保护人类的生存条件。交通工具交通工具人人公里公里/升升私家小轿车（平均乘坐私家小轿车（平均乘坐1.15人）人）7商业航空飞机商业航空飞机14合伙用车（平均乘坐合伙用车（平均乘坐4人）人）25公共汽车公共汽

43、车32城市间火车城市间火车60步行步行178*自行车自行车642*将食物的卡路里数折合成汽油的容积将食物的卡路里数折合成汽油的容积感冒：起因感冒：起因-运动或劳累过后，身体消耗大量能量，运动或劳累过后，身体消耗大量能量，产生大量废热（体内熵大增）如能迅速排除，人相产生大量废热（体内熵大增）如能迅速排除，人相安无事。安无事。 但如此时或吹风、或着凉但如此时或吹风、或着凉皮肤，并下令皮肤毛细血管收缩阻止身体散热，皮肤，并下令皮肤毛细血管收缩阻止身体散热，这样体内原有积熵排不出，还进一步产生积熵，以这样体内原有积熵排不出，还进一步产生积熵，以致积熵过剩。熵是无序度的量度。因此人体内二千致积熵过剩。熵

44、是无序度的量度。因此人体内二千多化学反应开始混乱多化学反应开始混乱-使人头痛、发烧、畏寒畏冷、使人头痛、发烧、畏寒畏冷、全身无力。抵抗力减弱全身无力。抵抗力减弱.人因此感冒了人因此感冒了. ., ,皮肤感到过凉，皮肤感到过凉，此信息传到大脑的调温中心此信息传到大脑的调温中心-丘脑，进行调温以暖丘脑，进行调温以暖中医说中医说: :内有虚火内有虚火, ,外感风寒外感风寒. .西医说西医说: :感冒了感冒了, ,有炎症有炎症. .物理学家说物理学家说: :如何治疗呢如何治疗呢? ?中医说中医说: :西医说西医说: :物理学家说物理学家说: :发汗清热发汗清热. .退热消炎退热消炎积熵过剩积熵过剩. .消除积熵消除积熵. .癌症