工业文明的痼疾——垃圾问题的热力学阐释及其推论

图1.热机示意图
相对而言，热力学第二定律不大容易理解。
为了研究热机的效率问题，卡诺设想了一种理想的热机（后人称其为卡诺机），它以理想气体为工作物质，在两个热源之间，通过卡诺循环，对外做功。
图一左，T1代表高温热源，T2代表低温热源。热机在两个热源之间工作；图一右是热机的示意图。图2是卡诺循环的示意图。卡诺循环大致如下：
1.等温膨胀：热机先接触高温热源T1，吸收热量Q1，工作气体达到温度T1，等温膨胀，推动活塞对外做功W1；
2.绝热膨胀：热机离开高温热源，在绝热状态下膨胀，对外做功W2，热机工作物质的温度降到T2.
3.等温压缩：热机接触低温热源T2，向低温热源释放热量Q2，外界对活塞做功W3。
4.绝热压缩：热机离开低温热源，在绝热状态下，外界对活塞做功W4，压缩工作气体，使之升温至T1，活塞回到原来位置。
在这个循环中，热机对外界所做净功为W=W1+W2-W3-W4。由于能量守恒，热机对外所做的功等于它从高温热源获取的热量Q1，减去它传递给低温热源的热量Q2，即W=Q1-Q2。热机的效率η=W/Q1=1-Q2/Q1。
卡诺证明，卡诺热机的效率η=1-Q2/Q1=1-T2/T1，只与两个热源的温度有关，与热机工作物质的属性没有关系。因而提高热机效率的关键在于提高T1，或者减少T2。

图二 卡诺循环示意图
卡诺循环是一种理想的状态，如果卡诺循环的每一个步骤都无限缓慢、无限均匀，卡诺循环是可逆的。卡诺证明，可逆热机效率是最高的，并且所有可逆热机的效率都相同。而现实中的任何热机都不可能是可逆的。因而，现实中的任何热机的效率都低于卡诺热机。可逆与不可逆，是引伸出热力学第二定律的关键。
卡诺去世后，克劳修斯（Rudolph Clausius,1822-1888）和开尔文（Lord Kelvin1824-1907）分别对卡诺总结出来的规律进行研究和阐发，给出了热力学第二定律的两种表述方式。
克劳修斯表述（1850年）：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。
热从高温物体传到低温物体，这个过程是可以自发进行的，比如热水和冷水隔着容器相遇，热量传导，最后成为温水。但是这个过程不可逆。一个盆里的温水，自发地一半变成冷水，一半变成热水，是不可能的。
开尔文表述（1851年）：不可能从单一热源吸取热量，使之完全转变为功，而不产生其他影响。以热机为例，只有高温热源T1没有低温热源T2是不可能的。热能够转化为功，但是不可能完全转化为功。就是说，热机的效率不可能达到100%。如果热机在没有低温热源的情况下也能工作的话，就是一个永动机。让一个这样的热机，从任何一个单一热源，比如海水中吸热，哪怕使海水的温度降低一点点，所释放的热量完全转化为功，对于人类来说，也是无穷的能量。然后，由于有热力学第一定律，这些能量在使用之后，还是要转化为热能，就可以重新使海水升温。这样，人类就有了取之不竭的能源。这种装置虽然不违反热力学第一定律，但是违反热力学第二定律，故称为第二类永动机。反过来，热力学第二定律也可以表述为：第二类永动机不可能实现。
第一定律说的是物质和能量的守恒和转化，第二定律说的是，物质和能量的转化是有方向的。但是，哪些过程可以自发进行，哪些过程不能？
克劳修斯指出，在热力学系统中，还有一个隐藏很深的状态量，他命名为“熵”（entropy）。熵来自希腊语，意为“转变”。所谓状态量，是指描述系统状态的量，比如体积、温度、内能，都是状态量。系统的熵值也是标志系统状态的一个量。这个量，就与系统的“转变”有关。它规定着系统自发过程的方向。一个孤立系统（与外界既无物质交换又无能量交换）能够自发地从低熵状态转变到高熵状态，而不能自发地从低熵状态转变到高熵状态。就好比说，一个物体可以自动地从高处落到低处，而不能自动地从低处升到高处。采用熵这个概念，热力学第二定律就有了一个简单的表述：一个孤立系统的熵的变化大于或等于零。如果系统的初始状态没有达到热平衡，则系统会自发地达到热平衡，这是一个熵增的过程。到达热平衡之后，系统的熵不再变化，此后熵增为零。所以，热力学第二定律也被称为熵增加原理。
“熵”与“功”有密切的关系。一个系统处于低熵的状态，就有更强的对外做功的能力。系统对外做功，熵增加，就失去了对外做功的能力。就如一个物体在高处具有势能，具有对外做功的能力；当它从高处落到低处，对外做功，也就失去了对外做功的能力。所以里夫金对热力学第二定律有更加通俗的解释：能量总是从能用的，变成不能用的。3