二 热力学第二定律

19世纪初，整个欧洲科学界仍然陶醉在经典力学的伟大胜利中，一门新的学科——热力学正在经典科学的羽翼下成长起来，等到它羽毛丰满时，人们才惊讶地发现热力学从本质上说是“非经典”的科学，发现它对经典力学理论纲领的挑战，以及它具有不同的研究风格。核心问题是对经典科学“可逆性”的批判态度，指出一切与热现象有关的宏观过程与经典力学系统不同，都是不可逆的。

热力学第一定律本质上是广义能量守恒定律在涉及热传递的宏观过程中的具体表述，它并没有考虑时间的方向问题。后来，人们在研究如何提高热机（蒸汽机）效率时，法国工程师卡诺于1824年提出卡诺定理，这是对不可逆过程的第一次认真研究。我们知道，热传导的事实是热量只能从高温物体自发地传到低温物体，逆过程是不可能发生的。1850年法国物理学家克劳修斯在卡诺和傅里埃等人研究的基础上，把热传导的方向性表述为经典的热力学第二定律：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。也就是说，从单一热源吸热做功的第二类永动机是不可能造成的。例如，海洋蕴藏着巨大的热量，因为它不算太冷，而且数量极大，但是，显然我们不可能从海洋单一热源没有补偿地吸取热能源源不断地做功，因为卡诺热机的效率仅仅依赖于做功介质（海水）的初始高温和最终低温的温度差。但是，我们没有办法不要补偿地把海水变成高温，或者把热机环境变成低温，形成温度差而做功。

同第一类永动机类似，比方说虽然平静的海水也拥有极其巨大的势能，因为它具有极大的重量，但如果没有落差，我们也就无法用它来发电做功，而要形成落差就必须付出更大的能量（因为这些机械的效率不可能是100%），我们可以看到，第一类和第二类永动机都是不可能的。