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物理学 1865

论热的力学理论基本方程的几种便用形式

鲁道夫·克劳修斯

他为「熵」命名——并给了宇宙一支时间之箭。

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In depth · the introduction

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。

一台可交互的熵账本:热物体在上、冷物体在下,热量 Q 在二者之间向下流动。三个滑块设定两端温度与转移的热量。一条绿色的条显示:当热从热端落向冷端时,总熵随之升高;若把冷物体调得比热物体还热,条便转红,标出一个被第二定律禁止的流向。

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。

The original document
Original source text

两条基本定理

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

为「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.

宇宙的两条定律

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