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2 熵：一种新的世界观（节选）(2023-01-02 10:51:32)里夫金 霍华德 热力学关于熵的概念揭示了热传递的不行逆性，即热量总是自发地从高温热源向低温热源流淌，而不是相反。本文从热力学其次定律动身，将熵的观念引申到能源、环境等领域，对当今世界普遍关注的能源危机、环境污染问题表示了深深的忧虑。阅读时，要留意作者运用日常事例说明科学道理的方法。 节选自熵：一种新的世界观(上海译文出版社1987年版)。吕明、袁舟译。作者里夫金和霍华德是美国当代闻名社会学家。 积累下列词语 明白无误 呕心沥血 费尽心机 高深莫测 三昧 天网恢恢 疏而不漏 夷为平地 万世不竭 告罄 无济于事 一位名叫麦克斯·格拉克曼麦克斯·格拉克曼(19111975)南非文化人类学家，以探讨非洲诸部落的政治制度著称。的人类学家曾经说：“科学是一门学问，它能使这一代的傻瓜超越上一代的天才。”热力学第肯定律与其次定律早已编入物理学基础教程，它们所表达的内容现在看来不过是简洁明白的常识而已。然而将它们最终明白无误地表达出来，却经过了一段曲折的路程；很多天才为之呕心沥血，提出过大量困难的理论。惊奇的是，虽然科学家们多少年来为这两个定律的真正涵义费尽心机，地球上各民族文化的民谚却早已悟出其中三昧三昧梵文Samadhi的音译，指使心神安静、杂念止息的修行方法。后借指事物的要诀。我们都听说过这些说法：“你不行能坐享其成”，“覆水难收”或者“天网恢恢，疏而不漏”。假如这些谚语对你说来不算生疏，而且在日常生活中你也反复有过这样的亲身体验的话，那么，你就懂得了热力学第肯定律和其次定律。 热力学概念乍听起来有些高深莫测，其实它们是我们所知道的最简洁而又给人印象最深的科学概念。热力学的两个定律可以用一句简短的句子来表达： 宇宙的能量总和是个常数，总的熵是不断增加的。 这也就是说我们既不能创建，也不能歼灭能量。宇宙中的能量总和一起先便是固定的，而且恒久不会变更。热力学第肯定律就是能量守恒定律，它告知我们能量虽然既不能被创建又不能被歼灭，但它可以从一种形式转化为另一种形式。 我们应当牢记的最重要的一点，就是我们不能创建能量。从来就没人创建过能量，也恒久不会有人能创建。我们力所能及的只是把能量从一种状态转化成另一种状态。要理解这一点不甚简单，特殊是考虑到一切都是由能量所生成的。世间万物的形态、结构和运动都不过是能量的不同聚集与转化形式的详细表现而已。一个人、一幢摩天大楼、一辆汽车或一棵青草，都体现了从一种形式转化成为另一种形式的能量。高楼拔地而起，青草的生成，都耗费了在其他地方聚集起来的能量。高楼夷为平地，青草也不复生长，但它们原来所包含的能量并没有消逝，而只是被转移到同一环境的其他所在去了。我们都听说过这么一句话：太阳底下没有簇新东西太阳底下没有簇新东西这是旧约·传道书中的话，一般译作“日光之下，并无新事”。要证明这一点你只需呼吸一下。你刚才吸进了曾经让柏拉图柏拉图(前427前347)古希腊闻名的唯心主义哲学家。认为理念是世界的本原，是古希腊哲学家中第一个留下大量著述的人，对后世影响很大。吸进过的5 000万个分子。 假如我们须要考虑的仅仅是热力学第肯定律，那我们滥用那万世不竭的能源也没有什么奥妙了。然而我们知道世界并非如此。比如我们烧掉一块煤，它的能量虽然并没有消逝，但却经过转化随着二氧化碳和其他气体一起散发到空间中去了。虽然燃烧过程中能量并没有消逝，但我们却再也不能把同一块煤重新烧一次来做同样的功了。热力学其次定律说明了这个现象。它告知我们每当能量从一种状态转化到另一种状态时，我们会“得到肯定的惩处”。这个惩处就是我们损失了能在将来用于做某种功的肯定能量。这就是所谓的熵。 熵是不能再被转化做功的能量的总和的测定单位。这个名称是由德国物理学家鲁道尔夫·克劳修斯鲁道尔夫·克劳修斯(18221888)德国物理学家，热力学的奠基人之一。于1868年第一次造出来的。但是年轻的法国军官沙迪·迦诺沙迪·迦诺(17961832)一般译作“卡诺”，法国物理学家、工程师，在探讨热机效率的过程中，提出了“卡诺循环”定理。却比克劳修斯早41年发觉了熵的原理。迦诺在探讨蒸汽机工作原理时发觉，蒸汽机之所以能做功，是因为蒸汽机系统里的一部分很冷，而另一部分却很热。换一句话说，要把能量转化为功，一个系统的不同部分之间就必需有能量集中程度的差异(即温差)。当能量从一个较高的集中程度转化到一个较低的集中程度(或由较高温度变为较低温度)时，它就做了功。更重要的是每一次能量从一个水平转化到另一个水平，都意味着下一次能再做功的能量就削减了。比如河水越过水坝流入湖泊。当河水下落时，它可被用来发电，驱动水轮，或做其他形式的功。然而水一旦落到坝底，就处于不能再做功的状态了。在水平面上没有任何势能的水是连最小的轮子也带不动的。这两种不同的能量状态分别被称为“有效的”或“自由的”能量，和“无效的”或“封闭的”能量。 熵的增加就意味着有效能量的削减。每当自然界发生任何事情，肯定的能量就被转化成了不能再做功的无效能量。被转化成了无效状态的能量构成了我们所说的污染。很多人以为污染是生产的副产品，但事实上它只是世界上转化成无效能量的全部有效能量的总和。耗散了的能量就是污染。既然依据热力学第肯定律，能量既不能被产生又不能被歼灭，而依据热力学其次定律，能量只能沿着一个方向即耗散的方向转化，那么污染就是熵的同义词。它是某一系统中存在的肯定单位的无效能量。 现在我们再回到起了“熵”这个名称的克劳修斯那里。他意识到在一个封闭系统里，能量水准的差异总是趋向于零。任何人只要把烧红了的火钳从火堆里取出来，他就会留意到这个使克劳修斯得出熵的定律的现象。当一把烧红了的火钳从火中取出时，我们很快留意到火钳起先冷却，而四周空气的温度却起先上升。这是因为热量总是从温度较高的物体流向温度较低的物体。经过足够长的时间后，我们碰一下铁钳，然后用手感觉一下四周空气。啊!它们的温度完全一样了。专家们把这种没有任何能量级别差异的状态叫做能量平均状态。水在平面时就处于这种状态。在这两种状况下，冷却了的铁钳与平面上的水都不能再做有用的功了，它们的能量是封闭或无效的。但这并不是说人们就不能重新用水桶把水从坝底提到坝顶再让水落下来，或者把火钳再一次加热。然而这两个过程又将进一步消耗新的有效的自由能。能量平均状态是熵值达到最大的状态，那时将不再有任何自由能量来进一步做功了。克劳修斯在总结热力学其次定律时说：“世界的熵(即无效能量的总和)总是趋向最大的量的。” 我们地球上有两个有效能量的来源：一个是地球本身所隐藏的能量，另一个是太阳能。经济学家赫尔曼·戴利对两者之间的区分做了如下的说明： 虽然太阳能量的总和每秒钟都在递减，然而远在它的熵达到最大值之前，地球上的能源就早已告罄告罄指财物用完或货物售完，这里指能源枯竭。了。每当你点燃一支香烟的时候，世界上的有效能量就削减了一点儿。当然就像我们已经指出过的那样，在一段孤立的时间内的一个特定场合，我们可以逆转熵的过程；但我们同时却必需消耗更多的能量，并使整个环境的熵的总值进一步增加。这点对工业回收有特别意义。很多人信任，只要我们发展适当的技术，那么我们所用过的一切东西都是可以被完全回收并再次运用的。其实不然。虽然更为有效的回收技术对我们这个星球的生存的确有着非常重要的意义，然而要做到接近100%的回收是不行能的。目前绝大多数金属的平均回收率为30%。而且回收过程中废旧材料的收集、运输和处理都要消耗额外的能量，导致同一环境里熵的增加。 每个孩子在学习生物学基本原理时都被告知自然界一切物质是在不断循环再生着的。这一点并没有错，因为它说的只是物质既不能被创建也不能被歼灭，是热力学第肯定律的重复而已。然而不幸的是人们往往忽视了热力学其次定律。而这肯定律告知我们，物质虽然可以循环再生，但必需以肯定的衰变为代价。比如我们从地底下挖出一块金属矿石并将它冶炼成一件餐具。在餐具的运用期内，由于磨损，金属分子不断地离开这件餐具。这些离开了餐具的金属分子并没有被歼灭，它们最终又回到了土壤中。但它们现在是零零星星地散失在土地里，而不是处于一种聚集状态，因而已不能再像原来那块金属矿石一样被有效地运用了。或许我们可以找到一个方法来回收这些四处散失的金属分子，但在同时我们又要付出熵的更大增加的代价。我们必需安装一部机械装置来收集这些分子，还要动用新的能源来启动这个装置。机械装置本身又来自地表里的金属矿石，而它在回收其他零星金属分子时又会磨损，又要损失自身的金属分子。同时，回收装置所耗费的能量又使熵有所增加。 当有效能量告罄时，我们称之为“热寂”。当有效物质用完时，我们称之为“物质混乱”。两者导致的都是熵，都是物质与能量的耗散。结果它们的集中程度降低，做有用功的实力也降低。 有些科学家争论说，经过很长的时间，太阳能够对地表起肯定作用，使消散了的金属分子又重新回到聚集的状态中去。这在统计数字上或许是可能的，但对人类却无济于事，因为这个过程是用地质学上的时间来衡量的，也就是说要花好几十亿年的时间。然而在短期内，在一些特定的地理区域里，能源与物质的熵的增加则是实实在在的现象。 练习 一 课文的第一段，作者举出三个民谚，用来启发人们相识热力学其次定律。作者又说，“假如这些谚语对你说来不算生疏那么，你就懂得了热力学第肯定律和其次定律”。试结合文章的其他论述，从能量耗散方面，阐释下面这些语句的意义。 1.你不行能坐享其成： 2.覆水难收： 3.天网恢恢，疏而不漏： 二“熵”(Entropy)这一中文译名是意译而来的。1923年，德国物理学家普朗克来中国讲学，我国物理学家胡刚复作翻译，苦于无法将“Entropy”这一概念译成中文。他依据“Entropy”为热量与温度之商，而且这个概念与“火”有关，就在“商”上另加火旁，构成一个新字“熵”。本文在论述中，也多次以燃烧为例。试找出三个例子，说说作者举这些例子所说明的道理。 三 本文阐述科学道理，有概述，有解说。概述部分多是论述的要点，经常用推断语句；解说部分则多举详细事例作说明。试以两段课文为例，找出作者论述的要点，并对作者的论述作简要分析。 四 在熵：一种新的世界观一书中，作者还指出这样一个事实：“世界上的有效能源不断被消耗掉，而最先消耗的总是最简单得到的能源”，越到后来，开发利用能源越要“耗费更多的能量”。试结合本地的环境问题或能源问题，谈谈你对爱护环境或节约能源问题的相识。