我们再来仔细地研究一下热变功的问题,因为这是热机的核心问题。前面已经说过,从高温热源所传递出来的热量,并不能完全变成有用功,势必有一部分热量要传递给低温热源,变成了低温热源的内能,而这部分内能是很难再加以利用的,我们把它叫做不可利用能(或耗散能、退化能)。
学生:可不可以把传递到低温热源的热量,以及所得到的有用功转化为热量,一起再送回高温热源,使它又恢复到原来的温度?
教授:这是不可能的。虽然热机产生的有用功可以全部转化成热量,然后把传到低温热源的热量送到高温热源,但是这个过程中还得额外做功才能完成,这就引起了外界的变化。况且在正过程和逆过程中,都会有摩擦和辐射等因素造成热量的散失。因此,在经历了一个逆过程以后,我们无论如何都不能使一切(包括系统和外界)恢复到原来的状态。也就是说,在自然界中所发生的一切正过程都是不可逆的。那么自发过程具有方向性意味着什么呢?其一,它使我们能感觉到时间的流逝,这个方向性意味着的是时间的进程,被霍金称为热力学时间箭头。其二,任何一个逆过程一定伴随着一个正过程,如功变热伴随着热传递,制冷剂伴随着功变热,等等。其三,自然界自发进行的一切宏观过程肯定都伴随着能量的退化,热机的效率不能达到100%,就是能量退化的标志,不能变成功的那部分热量就是退化了的能量。虽然能量还存在,没有违背热力学第一定律,但却变成了不可利用能。
再举一个生活中最浅显的例子。冬天我们用火炉取暖,火炉把房间烤暖和了,高温物体(火炉)的内能变成了低温物体(房间)的内能,这就是耗散掉的能量,因为谁也不能通过做功(改变外界),把这些散失的能量重新收集到火炉中来,重新对它进行利用。现在,你能感觉到热力学第二定律的深刻和伟大了吗?
学生:的确感觉到了。这就是说,几乎人类的所有活动都在使地球的不可利用能增加,这恐怕也是地球的温室效应产生的原因之一吧。这么说来,人类的前景岂不是值得忧虑了?
教授:也不能这么说。若地球是一个孤立系统,那前景当然是十分可怕的。但是,幸好地球并不孤立,它有外界可以源源不断地向它输送能量,这个外界就是太阳!至于如何去利用太阳的能量,使地球的熵减小,使它变得更加有序,这关系到人类的前途。
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