【摘要】回溯热力学第二定律的建立过程，重新发现时间的秘密，对热力学第二定律进行哲学诠释，于教师课程能力的提高、学科价值的实现都具有重要的现实意义。
【关键词】热力学第二定律；时间之箭；不可逆性
两千多年以前，伟大的孔子站在岸边无限感慨：“逝者如斯夫，不舍昼夜。”人生的悲哀归根到底来自时间的不可逆转。不言而喻，最后胜利属于死亡，时间流逝之冷酷无情令人无可奈何。揭开时间神秘莫测的面纱显然就是科学的任务之一。爱丁顿所说道，在属于内心和外界的两种经验之间搭任何桥梁，时间都占着最关键的地位。[1]
回溯热力学第二定律的建立过程，重新发现时间的秘密，对热力学第二定律进行哲学诠释，于教师课程能力的提高、学科价值的实现都具有重要的现实意义。
一、热力学第二定律的建立
1.卡诺定理
19世纪以来，蒸汽机在矿业、工业、航海、铁路交通等部门得到了广泛应用，但人们对热机的理论研究还不深入。富有远见卓识的法国的工程师、物理学家萨迪•卡诺，在热机的研究中提出了两个重要的问题：一是热机的效率与工作物质有无关系？二是热机效率是不是有个限度？
1824年6月12日，卡诺发表《关于火的动力》，分析了蒸汽机的基本结构和工作过程，抓住问题的本质，撇开一切次要因素，提出了理想循环过程和卡诺定理。
他说：“我们可以恰当地把热的动力和一个瀑布的动力相比。……瀑布的动力依赖于它的高度和水量；热的动力依赖于所用的热质的量和我们可以称之为热质的下落高度，即交换热质的物体之间的温度差。”“在蒸汽机内，动力的产生不是由于热素的实际消耗，而是由热体传到冷体，也就是说重建了平衡。”“凡是有温度差的地方，就能够产生动力；反之，凡是能够消耗这个动力的地方就能够形成温度差，就可能破坏热质的平衡。”
从中可以看出，卡诺定理实际上蕴含着热力学第二定律的思想。但由于卡诺在热的本质的认识上信奉热质说，他认为蒸汽机的工作过程总要伴随着热质的流动和重新分布，并且将蒸汽机和水车类比，没有认识到热和功转化的内在的本质联系，因而忽视了实际热机中动力可以全部转化为热，而热却不可能完全转化为动力这个普遍存在的实际问题的重大意义。
恩格斯在《自然辩证法》中说道，萨迪•卡诺差不多已探究到问题的底蕴，而阻碍他完全解决这问题的，并不是事实材料的不足，而是一个先入为主的错误理论。
2.热力学第二定律
1840年至1847年间，因为迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人的努力，热力学第一定律以及更普遍的能量守恒定律建立起来了。关于热的本质，“热动说”的正确观点也普遍为人们所接受。
1848年，开尔文爵士根据卡诺定理，建立了热力学温标。它完全不依赖于任何特殊物质的物理特性，从理论上解决了各种经验温标不相一致的缺点。
以上这些为热力学第二定律的建立准备了条件。
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2.1 克劳修斯与热力学第二定律
1850年4月12日，克劳修斯发表了《论热的动力及能由此推出的关于热本性的定律》，从“热动说”出发重新审查了卡诺的工作，对卡诺定理进行了扬弃，结合热传导总是自发地将热量从高温物体传给低温物体这一事实，得出了热力学第二定律的第一次表述——克劳修斯表述。
克劳修斯认为，在一个循环过程中每当作了功就有热从热物体传到冷物体，并且伴随着热量的损失。克劳修斯在热和机械功的等效性上也做了有益的探索。
克劳修斯对卡诺的结论作了修正：“功的产生不仅要求热的分布有所变化，而且确实耗用了热，反过来说，热也可以因功的耗损而再生。”克劳修斯重新分析了热机的工作过程，他认为：和新的观点相抵触的并非卡诺基本原理本身，而只是那个热并无损失的附加部分。因为功的产生很可能伴随着两种过程，即一些热量被消耗了，另一些热量从热物体传到了冷物体，而这两部分热量和产生的功之间可能存在某一确定的关系。
由此看来，对于热功转化的思想，克劳修斯与焦耳认识是完全一致的。
克劳修斯提出了一个热力学的基本原理：提供给系统的热量，一部分转化为功，另一部分变为系统内部的热量。实际上，这就是我们通常所说的热力学第一定律。
克劳修斯认为卡诺定理是正确的，但是卡诺在证明卡诺定理时所依据的热质论是错误的。克劳修斯吸取了卡诺理论中基本的合理的方面，即热总是倾向于从热物体传到冷物体，通常显示出一种使温度差减小的倾向，他把卡诺理论中的这个真正的基本部分与他提出的热力学基本定理相并列，发展成为热力学的第二个基本定理，并用它来论证卡诺定理的正确性。
1854年，克劳修斯在《热的机械论中第二个基本理论的另一形式》论文中对热力学第二定律的表述改变为：“热不可能由低温物体传递到高温物体，如果不因而同时引起其他关系的变化”。热力学第二定律的这种表述或说法特别强调了从低温物体传递到高温物体传递问题，对热传导的方向具有十分重要的意义。
在论文中，克劳修斯给出了在可逆循环情况下，热力学第二定律的数学表示式。但克劳修斯没有给出熵的物理概念和名称，只是给出一个新的状态函数的表示式。
1865年4月，克劳修斯在《关于机械热理论的主要方程的各种应用的方便形式》论文中提出了热力学第二定律的普遍表示式，并明确定义了物理概念——熵。
1875年他又在《热的动力理论》论文中提出他的热力学第二定律的、更精练的说法：“热不可能自发地从低温物体传递到高温物体”。这是我们今天教科书上所看到的克劳修斯表述。
2.2 开尔文与热力学第二定律
对热力学第二定律作出重要贡献的还有开尔文。开尔文用焦耳的热功当量实验和雷诺对蒸汽性质的观察，重新审查了卡诺定理后，结合“热动说”提出了热力学第二定律的开尔文表述。
1851 年，开尔文发表论文《热的动力理论》，文中提出了两个命题，比克劳修斯1850 年的论述更为明确：热的动力的全部理论是建立在分别由焦耳和卡诺与克劳修斯所提出的下列两个命题的基础之上。
命题Ⅰ( 焦耳) ——不管用什么方法从纯粹的热源产生出或者以纯粹的热效应损失掉等量的机械效应, 都会有等量的热消失或产生出来。
命题Ⅱ( 卡诺与克劳修斯) ——如果有一台机器，当它逆向工作时，它的每一部分的物理的和机械的作用也全部逆向，则它从一定量的热产生的机械效应，和任何具有相同温度的热源与冷凝器的热动力机一样。
然后，开尔文为了证明命题Ⅱ, 提出了一条公理：“利用无生命的物质机构，把物质的任何部分冷到比周围最冷的物体还要低的温度以产生机械效应，是不可能的。”[2]
开尔文指出, 克劳修斯在证明中所用的公理和他自己提出的公理是相通的。
开尔文用公认的事实否定了第二类永动机的空想，提出了热力学第二定律的开尔文原始表述。
反映热力学过程方向性的热力学第二定律就这样建立起来。克劳修斯从热量传递的方向性角度表述为：热量可以自发地从较热物体传递至较冷物体，但不能自发地较冷物体传递至较热物体。开尔文则从热功转换的角度重新表述：不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为功而不产生其它影响。
当然，这两种表述是等价的。返回搜狐，查看更多