论热的力学理论基本方程的几种便用形式
他为「熵」命名——并给了宇宙一支时间之箭。
克劳修斯把关于宇宙最无情的那个事实——万物都在衰朽——拿了过来,给了它一个名字、一个数,和一个方向。
核心想法
热总是朝同一个方向流动:从热到冷,绝不反向,除非花费些什么去推动它。克劳修斯把这种「单向性」收进了一个量里,他称之为熵——它度量的是:有多少能量已经摊开、变得无法再利用。他的定律是:在任何封闭系统里,熵只增不减。能量从不流失(这是第一定律),可每一刻流逝,都会有多一点的能量,滑入一种你再也驾驭不了的形式。
他把热力学的两条定律,总结成了至今仍被引用的一对句子:「宇宙的能量守恒。宇宙的熵趋于极大。」
它是如何诞生的
到了 1860 年代,萨迪·卡诺关于热机的洞见(1824)已被救回、并被重新构筑——由威廉·汤姆森(开尔文勋爵),也由克劳修斯本人,一位当时在苏黎世任教的普鲁士物理学家。此时人人都已同意:热与功是同一样东西的两种形式,而真实的热机里,总有某种不平衡悄悄渗入。可那不平衡,既没有名字,也没有干净的数学。
1865 年,克劳修斯把两样都补上了。他一直在追踪一个量,称之为「转变的等价值」;如今他意识到,它是系统一项真正的属性,像温度一样实在。它需要一个词。他从希腊文「转变」中造出了「熵」(entropy),并刻意让它与「能量」(energy)押韵,好让热的这两个伟大的量,永远被人成对地记住。
它为何重要
在熵之前,第二定律不过是一条关于蒸汽机的经验法则。有了它之后,它便成了一条普适的记账律:自然在记一本账,而其中一栏——熵——只会增长。仅此一个想法,便解释了:为何永动机不可能、为何热不会自行往高处流、为何你的咖啡会变凉却绝不自发回温、以及为何时间仿佛只朝一个方向奔流。同一个词,如今从化学一路伸展到信息,再到黑洞。
一个可以想象的画面
拿一副崭新的扑克牌,按花色排好。洗一次,秩序就散了;一直洗下去,它也绝不会自己排回原样。杂乱的排法,远比整齐的排法多得多,所以「洗乱了」不过是这副牌几乎注定要落到的去处。熵,就是宇宙的那一次次洗牌:热摊开来,差异被抹平,而那个平滑、温吞、混得匀匀的状态,正是「能这样存在的方式」压倒性地最多的那一个。你可以用手把一副牌重新排好——但只能靠花费气力,而那气力,又会在别处搅起新的混乱。
它的位置
这篇论文,是本馆让你得以走过的一道拱门的拱心石。卡诺(1824)提供了可逆性的论证;开尔文建起了绝对温标;克劳修斯(1865)为熵命名、并陈述了第二定律;玻尔兹曼(1877)随后以原子与概率,解释了熵为何升高;而香农(1948)又借走了同一套数学,去度量信息。卡诺原本只想改良蒸汽机——可他的问题,经由克劳修斯之手,最终竟为时间定下了方向。
两条基本定理
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.
Heat can never pass from a colder to a warmer body without some other change, connected therewith, occurring at the same time.
为「熵」命名
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.
宇宙的两条定律
The energy of the universe is constant. The entropy of the universe tends to a maximum.