1、p自然法則p蒸汽機帶來的學問 p妖從來都沒贏過p墓碑上的公式p社會越來越發展，嚴重的能源與環境社會越來越發展，嚴重的能源與環境挑戰挑戰？p在時間長河中只能淌過一次？生命流逝不在時間長河中只能淌過一次？生命流逝不可可逆轉逆轉？p生活越來越生活越來越復雜復雜，越來越不確定？，越來越不確定？p省時省力的發明越來越多，擁有的省時省力的發明越來越多，擁有的時間時間卻卻越來越少越來越少？29p這些困惑或許能從熱力學原理中找到解釋p熱力學第一定律能量守恒定律p熱力學第二定律熵增的不可逆性 Jack Hokikianp 受過開明教育的人，應該懂些；p 任何一個有點智力的人，即使沒有或幾乎完全沒有科學和數學的背

2、景，也只需要適度的努力便可以懂得。 Charles Percy Snowthe Two Cultures and the Scientific RevolutionCharles Percy Snow （ 1905.10.15-1980.7.1）英國科學家，小說家能量的概念已被證明是人類生活所有領域中具有最重要意義的物理學概念R. Bruce Lindsayp 惠更斯發現：在完全彈性碰撞運動中，一個物體的質量乘以它移動速度平方這個量保持不變，即：p 萊布尼茲男爵稱這個量為運動物體的“活力”但有些過程（如落體）物體的活力并不保持永恒不變p 沙特萊推測能量守恒包括兩個，“活力”和“死力”兩者可以相

3、互轉換但兩者總量不變。p 拉格朗日將這個概念明確：在一個運動系統中的能量包括動能和勢能。死力=潛在能量（勢能）沙特萊侯爵夫人（1706 1749）她將牛頓的自然哲學的數學原理翻譯成了法文，該版本至今仍在使用。2mvC 公元前四元素/五行說1593年伽利略溫度計1695年巴本蒸汽機1705年紐可門蒸汽機1769年瓦特蒸汽機工業革命1742年攝氏溫標1825年熱機用于輪船/火車1854年開爾文溫標熱質論熱運動論VS拉瓦錫1743年1794年，法國貴族，著名化學家、生物學家，被后世尊稱為近代化學之父道爾頓1766年1844年英國化學家、物理學家。近代原子理論的提出者約瑟夫普里斯特利 (1733180

4、4)，發現氧氣的偉大英國化學家。1766年當選為英國皇家學會會員。1782年當選為巴黎皇家科學院的外國院士。弗朗西斯培根（1561 - 1626）羅伯特波義耳（16271691），英國化學家，化學史家都把1661年作為近代化學的開始年代，因為這一年有一本對化學發展產生重大影響的著作出版問世，這本書就是懷疑派化學家The Sceptical Chemist，它的作者是英國科學家羅伯特波義耳。革命導師馬克思、恩格斯也同意這一觀點，他譽稱“波義耳把化學確立為科學”。1.1. 熱是一種物質熱是一種物質, ,即熱質說即熱質說2. 熱是物體粒子的內部運動熱是物體粒子的內部運動 古希臘的原子論把熱描繪成一種

5、特殊的古希臘的原子論把熱描繪成一種特殊的,不可直接覺察不可直接覺察的物質的物質;其結構與其他的物質一樣其結構與其他的物質一樣,也是由原子構成的也是由原子構成的;大概大概還具有一定的重量。還具有一定的重量。“熱是一種實實在在的物質實體，一種非常微妙的流體熱是一種實實在在的物質實體，一種非常微妙的流體”能夠滲透到所有空間并能從所有物質中流進流出。能夠滲透到所有空間并能從所有物質中流進流出。因此：這種物質存在是物體變熱，隨著它離開物體變冷。因此：這種物質存在是物體變熱，隨著它離開物體變冷。 歷史上歷史上笛卡爾笛卡爾、波義耳、胡克等人、波義耳、胡克等人主張這一觀點。繼主張這一觀點。繼胡克之后反對熱質說

6、的還有胡克之后反對熱質說的還有丹尼爾丹尼爾伯努力伯努力和和羅蒙諾索夫羅蒙諾索夫。羅蒙諾索夫關于熱理論的觀點包含在他的著作中，羅蒙諾索夫關于熱理論的觀點包含在他的著作中，1749年年發表的發表的“關于熱和冷的原因之沉思關于熱和冷的原因之沉思”“熱熱是由物質的粒子運動而產生的是由物質的粒子運動而產生的” 分析當時熱質說占優勢的主要原因是分析當時熱質說占優勢的主要原因是:當時人當時人們把熱現象和其他現象割裂開來研究們把熱現象和其他現象割裂開來研究,還未注意到還未注意到它們之間的相互關系和轉化它們之間的相互關系和轉化;熱質說比熱的運動說熱質說比熱的運動說更為簡明更為簡明,用熱質說能很好地解釋當時已發現

7、的熱用熱質說能很好地解釋當時已發現的熱現象現象,因此易于被人們接受因此易于被人們接受;熱質說更能迎合熱質說更能迎合18世紀世紀在物理學和化學研究中占統治地位的形式主義傾在物理學和化學研究中占統治地位的形式主義傾向向. 另外另外牛頓牛頓“不臆造假說不臆造假說”的思想的思想還很有影還很有影響響,大多數物理學家不愿接受當時還看不見摸不大多數物理學家不愿接受當時還看不見摸不著的比較復雜的分子運動假說著的比較復雜的分子運動假說. 1818世紀末世紀末, ,熱質說受到了嚴重的挑戰熱質說受到了嚴重的挑戰, ,致力于推翻熱的致力于推翻熱的物質說的物理學家是倫福德伯爵物質說的物理學家是倫福德伯爵本杰明湯普森（拉

8、姆福德伯爵）Benjamin Thompson(Rumford),17531814英籍物理學家p自然法則p蒸汽機帶來的學問 p妖從來都沒贏過p墓碑上的公式16951695年，荷蘭物理學家惠更斯的學生和助年，荷蘭物理學家惠更斯的學生和助手手法國人巴本法國人巴本（1647-17141647-1714）第一個發明了）第一個發明了汽缸有活塞的蒸汽機，用以取水和推磨。汽缸有活塞的蒸汽機，用以取水和推磨。雖然結構不完善，但雖然結構不完善，但它是第一個蒸氣在汽它是第一個蒸氣在汽缸內作功的機器缸內作功的機器巴本巴本 在實驗時，他先將汽缸的底部注入少量的水，再把汽缸放在實驗時，他先將汽缸的底部注入少量的水，再把

9、汽缸放到火上加熱。當汽缸內的水沸騰后，蒸汽即推動活塞慢慢到火上加熱。當汽缸內的水沸騰后，蒸汽即推動活塞慢慢上升；然后，又把火從汽缸下抽掉，汽缸內的蒸汽即慢慢上升；然后，又把火從汽缸下抽掉，汽缸內的蒸汽即慢慢冷凝。由于蒸汽的冷凝，汽缸內產生真空，在大氣壓力的冷凝。由于蒸汽的冷凝，汽缸內產生真空，在大氣壓力的推動之下，活塞又慢慢下降。推動之下，活塞又慢慢下降。 通過這一實驗，使巴本認識到，利用蒸汽壓力、大氣壓力、通過這一實驗，使巴本認識到，利用蒸汽壓力、大氣壓力、真空作用的交互作用，完全可以推動汽缸內的活塞及其活真空作用的交互作用，完全可以推動汽缸內的活塞及其活塞桿作往返的直線運動。而這種運動所產

10、生的機械動力可塞桿作往返的直線運動。而這種運動所產生的機械動力可以帶動其他機械的運動。以帶動其他機械的運動。巴本巴本 在發明帶有活塞的蒸在發明帶有活塞的蒸汽泵之后，考慮到蒸汽泵之后，考慮到蒸汽壓力大可能會使汽汽壓力大可能會使汽缸爆炸，巴本又在缸爆炸，巴本又在16801680年發明了安全閥。年發明了安全閥。 這樣，第一臺可以把這樣，第一臺可以把熱能轉變為機械能的熱能轉變為機械能的實驗型的蒸汽泵，就實驗型的蒸汽泵，就于于16801680年在英國試驗年在英國試驗成功了。成功了。英國皇家工英國皇家工程隊的軍事工程程隊的軍事工程師發明第一臺用師發明第一臺用于生產的蒸汽機于生產的蒸汽機16981698年年

11、英國人賽維利英國人賽維利（1650-17151650-1715）也提出了類似的機器。）也提出了類似的機器。 繼巴本之后，在近代蒸汽繼巴本之后，在近代蒸汽動力技術的發展中作出重要貢動力技術的發展中作出重要貢獻的是英國機械工程師賽維利獻的是英國機械工程師賽維利（T.Savery 1650-1715T.Savery 1650-1715）。）。 賽賽維利的汽缸與巴本的汽維利的汽缸與巴本的汽缸很不相同。賽維利的汽缸未缸很不相同。賽維利的汽缸未采用活塞，只是在其中接有吸采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和進汽管。水管、排水管和進汽管。 當蒸汽從鍋爐經過汽管進入汽缸后當蒸汽從鍋爐經過汽管進入汽缸后即使這

12、部分蒸汽冷卻，而冷卻后造成的即使這部分蒸汽冷卻，而冷卻后造成的真空就把礦井中的水從吸水管中吸進來，真空就把礦井中的水從吸水管中吸進來，此時再將蒸汽注入汽缸，這部分進入汽此時再將蒸汽注入汽缸，這部分進入汽缸的蒸汽所產生的壓力就把水從排水管缸的蒸汽所產生的壓力就把水從排水管中排放出來。后來，賽維利研究了巴本中排放出來。后來，賽維利研究了巴本的蒸汽泵，在他的蒸汽泵中也采用了安的蒸汽泵，在他的蒸汽泵中也采用了安全閥。全閥。紐科門紐科門 紐科門紐科門(Newcomen(Newcomen，Thomas)Thomas)是英是英國工程師，蒸汽機發明人之一。他發明國工程師，蒸汽機發明人之一。他發明的常壓蒸汽機是

13、瓦特蒸汽機的前身。的常壓蒸汽機是瓦特蒸汽機的前身。 紐科門幼年僅受過初等教育，少年時紐科門幼年僅受過初等教育，少年時代做過鍛工。代做過鍛工。1717世紀世紀8080年代同卡利合伙年代同卡利合伙經營鐵器，后來共同研制蒸汽機，并于經營鐵器，后來共同研制蒸汽機，并于17051705年取得年取得“冷凝進入活塞下部的蒸汽冷凝進入活塞下部的蒸汽和把活塞與連桿聯接以產生運動和把活塞與連桿聯接以產生運動”專利專利權權。 此后，紐科門繼續改進蒸汽機，于此后，紐科門繼續改進蒸汽機，于17121712年首次制成可供年首次制成可供實用的大氣式蒸汽機，被稱為紐科門蒸汽機。實用的大氣式蒸汽機，被稱為紐科門蒸汽機。 這臺蒸

14、汽機的汽缸活塞直徑為這臺蒸汽機的汽缸活塞直徑為30.4830.48厘米厘米, ,每分鐘往復每分鐘往復1212次，功率為次，功率為5.55.5馬力。但熱效率低，燃料消耗量大，僅適用馬力。但熱效率低，燃料消耗量大，僅適用于煤礦等燃料充足的地方。于煤礦等燃料充足的地方。瓦特 瓦特瓦特 (1736-1819) (1736-1819) 是是世界公認的蒸汽機發明家。世界公認的蒸汽機發明家。 他的創造精神、超人他的創造精神、超人的才能和不懈的鉆研為后的才能和不懈的鉆研為后人留下了寶貴的精神和物人留下了寶貴的精神和物質財富。瓦特改進、發明質財富。瓦特改進、發明的蒸汽機是對近代科學和的蒸汽機是對近代科學和生產的

15、巨大貢獻，具有劃生產的巨大貢獻，具有劃時代的意義，它導致了第時代的意義，它導致了第一次工業技術革命的興起，一次工業技術革命的興起，極大的推進了社會生產力極大的推進了社會生產力的發展。的發展。 17641764年，學校請瓦特修理一年，學校請瓦特修理一臺紐可門式蒸汽機，在修理的臺紐可門式蒸汽機，在修理的過程中，瓦特熟悉了蒸汽機的過程中，瓦特熟悉了蒸汽機的構造和原理，并且發現了這種構造和原理，并且發現了這種蒸汽機的兩大缺點：活塞動作蒸汽機的兩大缺點：活塞動作不連續而且慢；蒸汽利用率低，不連續而且慢；蒸汽利用率低，浪費原料。以后，瓦特開始思浪費原料。以后，瓦特開始思考改進的辦法。考改進的辦法。 直到直

16、到17651765年的春天，在一年的春天，在一次散步時，瓦特想到，既然紐次散步時，瓦特想到，既然紐可門蒸汽機的熱效率低是蒸汽可門蒸汽機的熱效率低是蒸汽在缸內冷凝造成的，那么為什在缸內冷凝造成的，那么為什么不能讓蒸汽在缸外冷凝呢？么不能讓蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特產生了采用分離冷凝器的瓦特產生了采用分離冷凝器的最初設想。最初設想。瓦特 從從17661766年開始，在三年多的時間里，瓦特克服年開始，在三年多的時間里，瓦特克服了在材料和工藝等各方面的困難，終于在了在材料和工藝等各方面的困難，終于在17691769年年制出了第一臺樣機。自制出了第一臺樣機。自17691769年試制出帶有分離冷年試制出帶有分

17、離冷凝器的蒸汽機樣機之后，瓦特就已看出熱效率低已凝器的蒸汽機樣機之后，瓦特就已看出熱效率低已不是他的蒸汽機的主要弊病，而活塞只能作往返的不是他的蒸汽機的主要弊病，而活塞只能作往返的直線運動才是它的根本局限。直線運動才是它的根本局限。 17811781年，他研制出了一套被稱為年，他研制出了一套被稱為“太陽和行星太陽和行星”的齒輪聯動裝置，終于把活塞的往返的直線運動轉的齒輪聯動裝置，終于把活塞的往返的直線運動轉變為齒輪的旋轉運動。瓦特還在輪軸上加裝了一個變為齒輪的旋轉運動。瓦特還在輪軸上加裝了一個火飛輪。由于對傳統機構的這一重大革新，瓦特的火飛輪。由于對傳統機構的這一重大革新，瓦特的這種蒸汽機才真

18、正成為了能帶動一切工作及的動力這種蒸汽機才真正成為了能帶動一切工作及的動力機。機。 17811781年底，瓦特以發明帶有齒輪和拉桿的機械年底，瓦特以發明帶有齒輪和拉桿的機械聯動裝置獲得第二個專利。聯動裝置獲得第二個專利。瓦特 年，試制出了一種帶有雙向裝置的新汽年，試制出了一種帶有雙向裝置的新汽缸。由此瓦特獲得了他的第三項專利。把原來的單缸。由此瓦特獲得了他的第三項專利。把原來的單項汽缸裝置改裝成雙向汽缸，并首次把引入汽缸的項汽缸裝置改裝成雙向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變為高壓蒸汽，這是瓦特在改進紐蒸汽由低壓蒸汽變為高壓蒸汽，這是瓦特在改進紐可門蒸汽機的過程中的第三次飛躍。通過這三次

19、技可門蒸汽機的過程中的第三次飛躍。通過這三次技術飛躍，紐可門蒸汽機完全演變為了瓦特蒸汽機。術飛躍，紐可門蒸汽機完全演變為了瓦特蒸汽機。 17841784年，瓦特以帶有飛輪、齒輪聯動裝置和雙年，瓦特以帶有飛輪、齒輪聯動裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機的綜合組裝取得了他在革新紐向裝置的高壓蒸汽機的綜合組裝取得了他在革新紐可門蒸汽機過程中的第四項專利。可門蒸汽機過程中的第四項專利。 17881788年，瓦特發明了離心調速器和節氣閥；年，瓦特發明了離心調速器和節氣閥；17901790年，他又發明了汽缸示工器，至此瓦特完成年，他又發明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽機發明的全過程。了蒸汽機發明的全過程。瓦特

20、1785年，瓦特被當選為英國皇家學會會員。年，瓦特被當選為英國皇家學會會員。 1814年，他被法國科學家學會接納為外國會員。年，他被法國科學家學會接納為外國會員。 1790年以后，優厚的專利稅使瓦特成為一個很年以后，優厚的專利稅使瓦特成為一個很有錢的名人。有錢的名人。1819年年8月月5日，瓦特在希思菲爾德郡日，瓦特在希思菲爾德郡的家里去世，遺體埋葬在漢德沃爾斯郊區的教堂里。的家里去世，遺體埋葬在漢德沃爾斯郊區的教堂里。 恩格斯在恩格斯在自然辨證法自然辨證法中這樣寫道：中這樣寫道：“蒸汽蒸汽機是第一個真正國際性的發明機是第一個真正國際性的發明瓦特個它加上了瓦特個它加上了一個分離的冷凝器，這就使

21、蒸汽機在原則上達到了一個分離的冷凝器，這就使蒸汽機在原則上達到了現在的水平。現在的水平。” 瓦特為蒸汽機的推廣使用做出了不可磨滅的重瓦特為蒸汽機的推廣使用做出了不可磨滅的重要貢獻、有力的推動了社會的前進。后人為了紀念要貢獻、有力的推動了社會的前進。后人為了紀念這位偉大的發明家，把功率的單位定為這位偉大的發明家，把功率的單位定為“瓦特瓦特”。 蒸汽機從開始出現到最后完善經歷了大約一百年，對蒸汽機從開始出現到最后完善經歷了大約一百年，對社會生產和人類生活產生了巨大的影響。社會生產和人類生活產生了巨大的影響。 18071807年美國人富而頓年美國人富而頓（1765-18151765-1815）在紐約

22、制造了第一）在紐約制造了第一艘客船艘客船“clermonfclermonf”號。號。 18141814年英國煤礦工人斯蒂芬森年英國煤礦工人斯蒂芬森（1781-18481781-1848）制造了第）制造了第一臺蒸氣機車，一臺蒸氣機車，18251825年被應用于火車和鐵路。英國成為年被應用于火車和鐵路。英國成為當時世界工業最發達的國家，形成了第一次世界技術革當時世界工業最發達的國家，形成了第一次世界技術革命命蒸氣時代。蒸氣時代。18421842年法國、德國和意大利的資產階級年法國、德國和意大利的資產階級革命動搖了歐洲封建統治和農奴制度。革命動搖了歐洲封建統治和農奴制度。 恩格斯說：恩格斯說：“蒸汽

23、機是一個真正的國際的發明，而這蒸汽機是一個真正的國際的發明，而這個事實又證明了一個巨大的歷史性進步。個事實又證明了一個巨大的歷史性進步。”19世紀40年代，有幾個科學家在不同地點、用不同的途徑、各自獨立地提出了能量守恒定律。其中以邁耶、焦耳、亥姆霍茲的工作最為著稱。邁耶的研究帶有哲學思辨的色彩，對那些習慣于用牛頓力學計算和定量實驗來定義科學的人們來說，是無法使人信服的。況且邁耶正在闡述的是一種可以把過去物理科學幾個獨立分支統一起來的新觀點，可是這種觀點的成效在當時還不明顯。大約有10年之久，邁耶的工作幾乎沒有受到注意。他受到了激烈的反對，粗暴的中傷，一直在逆境中奮斗。焦耳關于熱功當量的測定更是

24、確立能量守恒定律的實驗基礎。焦耳在實驗的基礎上，寫出論磁電的熱效應及熱的機械值論文，并在1843年8月21日英國科學協會數理組會議上宣讀。他強調了自然界的能是等量轉換、不會消滅的，哪里消耗了機械能或電磁能，總在某些地方能得到相當的熱。這對于熱的動力說是極好的證明與支持。因此引起轟動和熱烈的爭議。為了進一步說服那些受熱質說影響的科學家，他又利用更有效和更精確的裝置進行實驗。例如，將壓縮一定量空氣所需的功與壓縮產生的熱量作比較確定熱功當量；其中特別著名的也是今天仍可認為是最準確的槳葉輪實驗。通過下降重物帶動量熱器中的葉片旋轉，葉片與水的摩擦所生的熱量由水的溫升可準確測出。他還用其他液體（如鯨油、水

25、銀）代替水。不同的方法和材料得出的熱功當量都是423.9千克重米每千卡或趨近于423.85千克重米每千卡。 Q - heat in Joules or calories m - mass in kilograms DT - change the temperature in Kelvin C has units of J/kg K or kcal/kg K 1 calorie = 4.184 JoulesTmQCD焦耳的威廉湯姆森(William Thomson)湯姆孫參觀了焦耳的試驗室里各種自制的儀器，他深深為焦耳的堅韌不拔而感動。湯姆孫真誠地對焦耳說：“請您原諒，一個科學家在新觀點面前有時

26、也會表現得很無知的。” 1853年，兩人終于共同完成能量守恒和轉化定律的精確表述。赫爾曼路德維希斐迪南德馮亥姆霍茲（Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz，18211894）德國物理學家、數學家、生理學家、心理學家。p 一切科學都可以歸結到力學。p 強調了牛頓力學和拉格朗日力學在數學上是等價的，因而可以用拉氏方法以力所傳遞的能量或它所作的功來量度力。p 所有這種能量是守恒的。亥姆霍茲發展了邁耶（Julius Robert Mayer）、詹姆斯普雷斯科特焦耳（James Prescott Joule）等人的工作，討論了已知的力學的、熱學的、電學的、化學的各種

27、科學成果，嚴謹地論證了各種運動中能量守恒定律。 1847年他在德國物理學會發表了關于力的守恒講演，這次講演內容后來寫成專箸力之守恒出版。為了證明能量守恒定律成立，他拿出了一個支持他觀點的殺手锏：早在1775年巴黎科學院就做出決定，不再接受有關永動機觀點的申述，并將其歸于不可實現一類的范疇。EQWDp 什么是能做的，什么是不能做的；p 幫助我們排除不可能性，最大限度保存有用的資源，避免做無用功；對于熱力學第一定律，其原理是經過人類一個世紀的反復驗證的，就是說“絕不可能獲得永動機”即制造一臺發動機可周而復始地做功或產生動能，而沒有任何消耗，這是不可能的普朗克p自然法則p蒸汽機帶來的學問 p妖從來都

28、沒贏過p墓碑上的公式科學研究沒有禁區，總是有人在尋找著熱力學第二定律的反例，其中最著名的就是1871年物理學家麥克斯韋設計的一個頭腦實驗麥克斯韋妖。他假設了一個密閉的容器，由一個沒有摩擦力的隔板分成AB兩部分，隔板上有個由妖魔控制的閥門。起初兩側溫度相同，當高速分子由A向B運動或慢速分子由B向A運動時，妖魔就打開閥門令其通過，反之，當高速分子由B向A運動或慢速分子由A向B運動時，妖魔就關閉閥門。久而久之，高速分子都跑到了B區，慢速分子都跑到了A區，于是隨著時間的繼續，在沒有能量消耗的情況下，容器右邊越來越熱，左邊越來越冷，當溫差形成時，便可以利用溫差發動一臺熱機做功。這只想象中的妖魔打破了“封

29、閉系統的熵只能增加”的熱力學第二定律。科學界將這類違背熱力學第二定律的熱機稱為“第二類永動機”。http:/ p 熱力學第二定律告訴我們，一旦某一系統中的達到了溫度均衡，就無法在從系統中吸取功了。而系統中單個分析的能量是不均等的，那么依據系統內各分子能量不均的條件，能建立第二類永動機嗎？p 上述例子中的整個系統包括：容器，氣體，活動門和妖，活動門在打開和關閉時是一個耗費能量的機械裝置，而且隨著氣體分子向右輸運越來越多，它的作用越來越小，活動門本身和它的控制作用都受到溫度波動的制約。p 妖是如何觀察單個分子的？因為是同一溫度下被隔絕的封閉系統，整個系統充滿均質發熱的氣體分子，它不可能看見什么，必

30、須借助于閃光信號燈之類的照明工具才能看到單個氣體分子。那么就有額外的熱源引入打破了這個“封閉系統”。沒有付出就不會有收獲，甚至更不會觀察到什么。Gabor Dennis（1900-1979）1971年諾貝爾物理學獎得主“麥克斯韋妖”實際上必須消耗能量來確定哪個分子是熱的、哪個分子是冷的。匈牙利物理學家馮勞厄（1879-1960）1914年諾貝爾物理學獎得主理查德費曼（Richard P.Feyrman）1918年出生，1939年于麻省理工學院畢業后，進入普林斯頓大學研究院，又加入羅拉拉摩斯實驗室，對原子彈的發展貢獻卓著。1965年與薛溫格和朝永振一郎共獲諾貝爾物理獎。1988年2月因患癌癥辭世

31、。費曼的思想如天馬行空，喜自辟蹊徑，且從不固執，求知欲極強。他很愛惡作劇，但往往只為點出世間許多荒謬之處。確如洛杉磯時報所說的，“任何讀這本書而不大笑出聲的人，心理一定有毛病。”p 20世紀50年代，法國物理學家布里淵用信息論驅逐了這只妖魔，捍衛了熱力學第二定律的正確性。布里淵在其專著科學與信息論及一系列論文中，從信息論的角度分析了妖魔的分辨本領及控制能力的來源。由于容器是密閉的孤立系統，妖魔處于絕對黑體中，它是不可能看清任何東西的，當然也就無法分辨分子運動的速度和方向，系統只能繼續處于原來的平衡態中。除非外面提供光亮，它才有可能看清楚并正確控制閥門，從而增加系統的有序性并使熵減少，但這種有能

32、量輸入的系統就不再是孤立系統了，當然就不再適用于熱力學第二定律了。布里淵還進一步分析了信息論中的熵與熱力學中的熵的定量關系，得出了公式1bit=kln2(J/K)，其物理意義是：要獲取1bit的信息，其熵必定減少kln2=0.95710-23(J/K)，其中k=1.3810-23(J/K)。例如T為300K時，則要消耗2.8710-21（J）的能量。信息的獲取必須借助于一定的物質過程，而且伴隨著一定能量的消耗，不耗損能量而獲得信息是不可能的，所以說孤立系統中的妖魔是不可能存在的。1961年，IBM物理學家羅夫蘭道爾（Rolf Landauer）證明，重置1比特的信息都會釋放出熱量，也就是說，將

33、計算機中的一個二進制比特位置零，不管初始值為1或0，都會釋放出極少的熱量。2010年，自然-物理學網絡版報道，日本中央大學理工學部的鳥谷部祥一和東京大學的佐野雅樹領導的團隊在實驗室讓一個直徑為287納米的聚苯乙烯小球沿電場制造的微小旋轉階梯向上爬動，并將小球拍照。小球可以隨機朝任何方向運動，由于向上爬會增加勢能，因此其往下一層的概率更大，如果不人為干擾，小球最終會掉至最底層。在實驗中，當小球沿階梯向上爬一層后，研究人員就使用電場在小球爬上的那層階梯加一面“墻”，讓小球無法回到低的那一層，這樣小球就能一直向上爬。該小球能爬階梯完全由“自己的位置”這一信息所決定，研究人員無需施加任何外力(比如注入

34、新能量等)，僅需一個感應系統(比如攝像機)。另外，他們也能精確地測量出有多少能量由信息轉化而來。這同樣也是一個熵減過程實驗，其主要貢獻是納米尺度上的精密控制新技術。“孤立系統”是熱力學第二定律的熵增原理必不可少的條件，而這項研究借助的系統不是孤立系統，而是與外界有能量交換的開放系統，這里使用的是電能。研究結論不僅不是對熱力學第二定律的挑戰，恰恰相反，是對該定律的驗證，若把實驗室的電閘拉了，什么也不會發生。新實驗直接證明了信息可以轉化為能量，盡管如此，新技術仍無法解決人類目前面臨的能源危機。“在將信息轉化為能量時，真正的能源成本掩藏于外部（包括實驗的操作者），因此，該實驗就如同人們試圖使用原子核

35、聚變來產生能量，其實核反應本身耗費的能源可能更多。”p 蒸汽機發明了，如何提高效率？hotWQ尼古拉萊昂納爾薩迪卡諾（Nicolas Lonard Sadi Carnot1796年1832年單獨提供熱不足以給出推動力，必須還要有冷，沒有冷，熱將是無用的桑迪 卡諾關于火的動力及專門產生這種動力的機器的見解 11100%ccChhQTQT 在相同溫度的高溫熱源和相同溫度的低溫熱源之間工作的一切實際熱機，其效率都不會大于在同樣的熱源之間工作的可逆卡諾熱機的效率。提高熱機效率指明了方向p 在自然條件下任何事物，包括能量，不可能無緣無故地消失。當熱流體自由地從一個熱物體流向一個冷物體，機械能是怎么不通過

36、熱機而以直接減少的方式消失的？魯道夫尤利烏斯埃馬努埃爾克勞修斯（1822年1月2日1888年8月24日），德國物理學家和數學家，熱力學的主要奠基人之一。 states in which direction a process can take place heat does not flow spontaneously from a cold to a hot body heat cannot be transformed completely into mechanical work it is impossible to construct an operational perpetual

37、 motion machine introduces concept of entropyp自然法則p蒸汽機帶來的學問 p妖從來都沒贏過p墓碑上的公式在整個物理學中沒有哪個概念比熵更難理解，也沒有哪個概念比熵更重要。美國物理學家西爾斯（1898-1975） property that indicates the direction of a process entropy is a measure of disorder entropy is a measure of a systems ability to do useful work entropy determines directio

38、n of time the entropy of an isolated system increases熵是一種世界觀人們通過大量觀察、實驗，概括出熱現象的自然規律熱力學第二定律 克勞修斯克勞修斯表述：不可能將熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化（即熱量不會自動地從低溫物體傳到高溫物體）外界需對系統作功，就屬“其它變化”。此表述說明熱傳導過程的不可逆性。德國物理學家和數學家，熱力學的主要奠基人之一。他重新陳述了薩迪卡諾的定律（又被稱為卡諾循環），把熱理論推至一個更真實更健全的基礎。開始時，4 4個分子都在A A部，抽出隔板后分子將向B B部擴散并在整個容器內無規則運動。隔板被抽出后，4

39、 4分子在容器中可能的分布情形如下圖所示：微觀態共有微觀態共有2 24 4=16=16種可能的方式，而且種可能的方式，而且4 4個分個分子全部退回到子全部退回到A A部的可能性即幾率為部的可能性即幾率為1/21/24 4=1/16=1/16 一般來說，若有一般來說，若有N N個分子，則共個分子，則共2 2N N種可能方種可能方式，而式，而N N個分子全部退回到個分子全部退回到A A部的幾率部的幾率1/21/2N N. .對對于真實理想氣體系統于真實理想氣體系統10102323/mol/mol，這些分子，這些分子全部全部退回到退回到A A部的幾率為部的幾率為231021 對單個分子或少量分子來說

40、，它們擴散到對單個分子或少量分子來說，它們擴散到B B部的過程原則上是可逆的。但對大量分子組成部的過程原則上是可逆的。但對大量分子組成的宏觀系統來說，它們向的宏觀系統來說，它們向B B部自由膨脹的宏觀過部自由膨脹的宏觀過程實際上是不可逆的。程實際上是不可逆的。 熱力學第二定律所表達的不可逆性質實際上是這樣一種統計必然性：對于一個不受外界影響的孤立系統，其內部發生的任何過程，總是從幾率小的狀態向幾率大的狀態進行。這就是熱力學第二定律的統計意義 熵是熱力學系統中幾率或無序度的量度，幾率越大，無序度越高則熵越大。所以孤立系統中一切實際過程是向著熵增加的方向進行。系統處于該宏觀態時的熵系統處于某一宏觀

41、態的熱力學概率（即該宏觀態所含微觀態的數目）玻耳茲曼常量 熵這個物理量它是根據熱力學第二定律熵這個物理量它是根據熱力學第二定律確定的一個新的狀態函數確定的一個新的狀態函數 熵是反映任何系統在微觀層次上的熵是反映任何系統在微觀層次上的無序程無序程度度的，微觀無序度增加，熵就增加的，微觀無序度增加，熵就增加 熵可以通過測量系統的溫度和熱能來確定熵可以通過測量系統的溫度和熱能來確定熵，但我們更關心的是熵，但我們更關心的是熵的變化熵的變化 可以證明：任何物理過程中各個參與者的可以證明：任何物理過程中各個參與者的總熵必定是要么增加要么保持不變；熵不會減總熵必定是要么增加要么保持不變；熵不會減少這就是少這

42、就是熵增加原理熵增加原理。不可逆過程可逆過程取取 孤立（或絕熱）系統內部所發生的過程不可逆時，其熵增加；所發生的過程可逆時，其熵不變。 熵的增加是能量退化的量度，自然界的實際過程都是不可逆過程，即熵增加的過程 每利用一份能量，就會得到一定的懲罰-把一部分本來可以利用的能量變為退化的能量。 退化的能量，實際上就是環境污染的代名詞，節約能源就是保護杯境，而保護環境就是保護人類的生存條件。交通工具交通工具人人公里公里/升升私家小轎車（平均乘坐私家小轎車（平均乘坐1.15人）人）7商業航空飛機商業航空飛機14合伙用車（平均乘坐合伙用車（平均乘坐4人）人）25公共汽車公共汽車32城市間火車城市間火車60

43、步行步行178*自行車自行車642*將食物的卡路里數折合成汽油的容積將食物的卡路里數折合成汽油的容積感冒：起因感冒：起因-運動或勞累過后，身體消耗大量能量，運動或勞累過后，身體消耗大量能量，產生大量廢熱（體內熵大增）如能迅速排除，人相產生大量廢熱（體內熵大增）如能迅速排除，人相安無事。安無事。 但如此時或吹風、或著涼但如此時或吹風、或著涼皮膚，并下令皮膚毛細血管收縮阻止身體散熱，皮膚，并下令皮膚毛細血管收縮阻止身體散熱，這樣體內原有積熵排不出，還進一步產生積熵，以這樣體內原有積熵排不出，還進一步產生積熵，以致積熵過剩。熵是無序度的量度。因此人體內二千致積熵過剩。熵是無序度的量度。因此人體內二千

44、多化學反應開始混亂多化學反應開始混亂-使人頭痛、發燒、畏寒畏冷、使人頭痛、發燒、畏寒畏冷、全身無力。抵抗力減弱全身無力。抵抗力減弱.人因此感冒了人因此感冒了. ., ,皮膚感到過涼，皮膚感到過涼，此信息傳到大腦的調溫中心此信息傳到大腦的調溫中心-丘腦，進行調溫以暖丘腦，進行調溫以暖中醫說中醫說: :內有虛火內有虛火, ,外感風寒外感風寒. .西醫說西醫說: :感冒了感冒了, ,有炎癥有炎癥. .物理學家說物理學家說: :如何治療呢如何治療呢? ?中醫說中醫說: :西醫說西醫說: :物理學家說物理學家說: :發汗清熱發汗清熱. .退熱消炎退熱消炎積熵過剩積熵過剩. .消除積熵消除積熵. .癌癥癌癥