“熱力學第二定律之爭”及其教育功能

趙海艷

(北京師范大學實驗中學豐臺學校 北京 100086)

在人教版和教科版的高中教材中,“熱力學第二定律”兩種說法的提出，寥寥數語，沒有多做介紹.“熱力學第二定律”的兩種說法，有著豐富的歷史過程，物理學史可以讓學生們更好地了解物理規律，能夠從中學習到嚴謹的科學態度和科學思維方法，以及他們的科學態度和世界觀.

本文詳細介紹了熱力學第二定律的發現過程，為使學生們更深入地了解物理規律和科學家解決問題的方法提供史料支撐，有助于培養學生的哲學思想，特別是有助于對學生物質觀、運動觀以及世界觀的培養,從學史的角度體現了其教育功能.

1 熱力學第二定律之爭

1.1 熱力學第二定律提出的歷史背景

自從瓦特的分離式冷凝器蒸汽機問世以后，到了19世紀蒸汽機已經廣泛應用于工業中，盡管人們做了多種嘗試，但效率依然不高，如何減少熱的耗散量成為大家爭相解決的焦點.第二類永動機不斷出現,它們企圖利用從冷體向熱體傳輸熱量而使熱機工作，但是與事實是矛盾的，這就意味著有一個新的熱力學基本定律在起著作用，需要有一個新的熱力學基本定理對這些普遍的情況進行說明.

1.2 熱力學第二定律提出過程

19世紀 20 年代, 法國陸軍工程師卡諾( S. Carnot, 1796-1832) (圖1)從理論上研究了熱機的效率問題.1912年卡諾在《看法》一書中，指出“單只是提供熱量，并不足以產生推動力，必須還有冷，沒有冷，熱將是無用的”.并且“使用于提高液體溫度的熱素再回到A體中是不可能的.”[1]卡諾認識到兩個熱源對于熱機而言是必要的，他指出熱機必須工作在兩個熱源之間，熱機的效率僅僅決定于兩個熱源的溫度差，而與工作物質無關，在兩個固定熱源工作的所有熱機，以可逆機效率最高[2].但是由于卡諾相信“熱素說”，他的結論里包含有不正確的成分.

圖1 卡諾工程師

例如：他將蒸汽機比擬為水輪機，熱質比擬為流水，熱質從高溫流向低溫，總量不變.他寫道：“我們可以足夠確切地認為熱的動力取決于所用的熱質的量以及熱質的‘下落高度’，即交換熱質的兩物體之間的溫度差”[3].卡諾的研究“差不多已經探究到問題的底蘊.阻礙他完全解決這個問題的，并不是事實材料的不足，而是一個先入為主的錯誤理論.”(恩格斯：《自然辯證法》)[4].

1824年，卡諾在卡諾循環基礎上提出了卡諾定理(Carnot principle)：

(1)在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切可逆熱機，其效率都相等，與工作物質無關.

(2)在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源間工作的可逆熱機的效率高于不可逆機的效率.

用“熱質說”論證了上述定理之后，湯姆孫( William Thomson, 1824-1907)(圖2)以此為依據，于1848年提出了與工作物質無關的“熱力學溫標”的設想.湯姆孫起初對焦耳熱可以轉化為機械功的觀點持猶豫的態度，因為他深信卡諾定理是對的，而且很重要，但此定理卻是在熱質說的基礎上證明的，與焦耳熱轉化為功的觀點矛盾[5，6].就在湯姆孫感到困難之際，克勞修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius, 1822-1888)(圖3)在1850年《物理學與化學年鑒》上發表了《論熱的動力及能由此推出的關于熱本性的定律》，他根據已經發現的事實說明：熱并不是一種物質，而是存在于物體的最小粒子的一種運動”.他認為在由熱做功的過程中，一部分熱作了機械功，另一部分熱通過從熱體向冷體傳遞而耗散掉.克勞修斯指出，湯姆孫對他提出的兩種區別了解得很清楚，但是卻仍然堅持熱質說.克勞修斯認為應該從熱是一種運動的觀點進行論證，他寫道：“與新的思想方式相抵觸的，并不是卡諾定理本身，而只是那個‘沒有損失熱量’的補充，因為在產生功的過程中有可能有兩個過程同時發生，即一些熱量轉化了，另一些熱量從熱體傳到冷體，并且這兩部分熱量可能與所產生的功有確定的關系”[7].1854年，克勞修斯在《熱的機械論中的第二個基本理論的另一形式》中更加明確地闡明：熱不可能由冷體到熱體，如果不因而同時引起其他關系的變化.這就是沿用至今的熱力學第二定律的克勞修斯表述也稱為“克氏說法”.這種表述對熱傳導中熱量的傳遞方向具有很重要的意義.

圖3 克勞修斯

對熱力學第二定律的發現做出另一個重要貢獻的是湯姆孫，他采用了焦耳提出的熱是一種粒子的運動而不是物質的思想后才形成的.1851年3月湯姆孫連續在《愛丁堡皇家學會會刊》上發表了3篇論文，題目是《熱的動力學理論》.文中提出了兩個命題，比克勞修斯1850年的論述更為明確[8，9],包括被認為是嚴格的第二定律的證明.

命題Ⅰ(焦耳):不管用什么方法從純粹的熱源產生出或者以純粹的熱效應損失掉等量的機械效應，都會有等量的熱消失或產生出來[10].

命題Ⅱ:如果有一臺機器，當它逆向工作時，它的每一部分物理的和機械的作用也全部逆向，則它從一定量的熱產生的機械效應，和任何具有相同溫度的熱源和冷凝器的熱動力機一樣[11].

湯姆孫認為命題Ⅱ是建立在下面的定理基礎上的“不可能由非生命物的作用，將物質冷卻到比周圍最冷的東西還要低的溫度的方法，使物質的任何部分產生機械效應”[12].

湯姆孫(被封為開爾文男爵)用公認的事實否定了“第二類永動機”，提出了他對熱力學第二定律的新說法“開氏說法”(亦稱為“開爾文表述”)：不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變為有用的功而不產生其他影響.同時建立了普遍的熱力學第二定律表達式

2 熱力學第二定律之爭給我們的教育啟示

2.1 物理觀念至關重要

湯姆孫更早地進行了卡諾定理的研究，但是由于觀念上的守舊，不敢突破世俗觀念的束縛，很遺憾沒有最先提出熱力學第二定律.雖然在克勞修斯提出“熱力學第二定律”之后，他也獨立提出來另一種說法，但是“熱力學第二定律”的優先權是屬于克勞修斯的.在學習中，我們要勇于質疑和探索科學的真理.

2.2 科學方法很重要

兩位科學家都是根據事實，提出自己的觀點，然后證明自己的觀點，并不斷發展正確的定律.他們研究問題的方法正是我們需要傳授給學生的，科學的研究方法有益于正確的發現.讓學生體會物理方法的簡潔之美.

2.3 重視物理實驗

克勞修斯在焦耳熱功當量實驗的基礎上，根據實驗現象，大膽否定了卡諾定理的錯誤部分.在物理實驗中，重視實驗現象，根據實驗現象得到自己的結論.我們應該重視實驗帶給我們的思維能力的培養，體會實驗之美.

2.4 科學家實事求是的科學態度

雖然湯姆孫的“開氏說法”提出來的比較晚，但是“開氏說法”帶有表達式而克勞修斯的“克氏說法”當時并沒有表達式.當大家都在爭論誰是第一個提出來的時候，湯姆孫主動承認優先權是屬于克勞修斯的.科學家實事求是的科學態度值得我們學習,感受科學發展的歷程.