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物理學 1865

論熱的力學理論基本方程的幾種便用形式

魯道夫·克勞修斯

他為「熵」命名——並給了宇宙一支時間之箭。

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In depth · the introduction

克勞修斯把關於宇宙最無情的那個事實——萬物都在衰朽——拿了過來,給了它一個名字、一個數,和一個方向。

核心想法

熱總是朝同一個方向流動:從熱到冷,絕不反向,除非花費些什麼去推動它。克勞修斯把這種「單向性」收進了一個量裡,他稱之為熵——它度量的是:有多少能量已經攤開、變得無法再利用。他的定律是:在任何封閉系統裡,熵只增不減。能量從不流失(這是第一定律),可每一刻流逝,都會有多一點的能量,滑入一種你再也駕馭不了的形式。

他把熱力學的兩條定律,總結成了至今仍被引用的一對句子:「宇宙的能量守恆。宇宙的熵趨於極大。」

它是如何誕生的

到了 1860 年代,薩迪·卡諾關於熱機的洞見(1824)已被救回、並被重新構築——由威廉·湯姆森(克耳文勳爵),也由克勞修斯本人,一位當時在蘇黎世任教的普魯士物理學家。此時人人都已同意:熱與功是同一樣東西的兩種形式,而真實的熱機裡,總有某種不平衡悄悄滲入。可那不平衡,既沒有名字,也沒有乾淨的數學。

1865 年,克勞修斯把兩樣都補上了。他一直在追蹤一個量,稱之為「轉變的等價值」;如今他意識到,它是系統一項真正的屬性,像溫度一樣實在。它需要一個詞。他從希臘文「轉變」中造出了「熵」(entropy),並刻意讓它與「能量」(energy)押韻,好讓熱的這兩個偉大的量,永遠被人成對地記住。

它為何重要

在熵之前,第二定律不過是一條關於蒸汽機的經驗法則。有了它之後,它便成了一條普適的記帳律:自然在記一本帳,而其中一欄——熵——只會增長。僅此一個想法,便解釋了:為何永動機不可能、為何熱不會自行往高處流、為何你的咖啡會變涼卻絕不自發回溫、以及為何時間彷彿只朝一個方向奔流。同一個詞,如今從化學一路伸展到資訊,再到黑洞。

一個可以想像的畫面

拿一副嶄新的撲克牌,按花色排好。洗一次,秩序就散了;一直洗下去,它也絕不會自己排回原樣。雜亂的排法,遠比整齊的排法多得多,所以「洗亂了」不過是這副牌幾乎注定要落到的去處。熵,就是宇宙的那一次次洗牌:熱攤開來,差異被抹平,而那個平滑、溫吞、混得勻勻的狀態,正是「能這樣存在的方式」壓倒性地最多的那一個。你可以用手把一副牌重新排好——但只能靠花費氣力,而那氣力,又會在別處攪起新的混亂。

一台可互動的熵帳本:熱物體在上、冷物體在下,熱量 Q 在二者之間向下流動。三個滑桿設定兩端溫度與轉移的熱量。一條綠色的條顯示:當熱從熱端落向冷端時,總熵隨之升高;若把冷物體調得比熱物體還熱,條便轉紅,標出一個被第二定律禁止的流向。

它的位置

這篇論文,是本館讓你得以走過的一道拱門的拱心石。卡諾(1824)提供了可逆性的論證;克耳文建起了絕對溫標;克勞修斯(1865)為熵命名、並陳述了第二定律;波茲曼(1877)隨後以原子與概率,解釋了熵為何升高;而夏農(1948)又借走了同一套數學,去度量資訊。卡諾原本只想改良蒸汽機——可他的問題,經由克勞修斯之手,最終竟為時間定下了方向。

The original document
Original source text

兩條基本定理

R. Clausius · Ninth Memoir · Annalen der Physik, vol. 125 · 1865 (Magie trans.)
The whole mechanical theory of heat rests on two fundamental theorems: that of the equivalence of heat and work, and that of the equivalence of transformations.
The first is the principle of the equivalence of heat and work — the first law: in any cycle, the heat consumed and the work produced are equivalent. The second concerns the direction in which transformations may proceed of themselves, and rests on a single axiom.
Heat can never pass from a colder to a warmer body without some other change, connected therewith, occurring at the same time.
— Clausius's foundational axiom for the second law, carried forward from his 1850 memoir

為「熵」命名

Having defined a new state function S whose differential is dS = δQ/T, Clausius gives it a name
We might call S the transformational content of the body.
[ … ]
But as I hold it to be better to borrow terms for important magnitudes from the ancient languages, so that they may be adopted unchanged in all modern languages, I propose to call the magnitude S the entropy of the body, from the Greek word τροπή, transformation.
I have intentionally formed the word entropy so as to be as similar as possible to the word energy.

宇宙的兩條定律

The closing sentences — the first and second laws in their most compressed form
The energy of the universe is constant. The entropy of the universe tends to a maximum.
Original German: “Die Energie der Welt ist constant. Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu.”
R. Clausius · Zürich · 1865