一位名叫麥克斯·格拉克曼的人類學家曾經說：“科學是一門學問，它能使這一代的傻瓜超越上一代的天才。”熱力學第一定律與第二定律早已編入物理學基礎教程，它們所表達的內容現在看來不過是簡單明瞭的常識而已。然而將它們最終明白無誤地表達出來，卻經過了一段曲折的路程；許多天才為之嘔心瀝血，提出過大量複雜的理論。奇怪的是，雖然科學家們多少年來為這兩個定律的真正涵義絞盡腦汁，地球上各民族文化的民諺卻早已悟出其中三昧。我們都聽說過這些說法：“你不可能不勞而獲”，“覆水難收”或者“天網恢恢，疏而不漏”。如果這些諺語對你說來不算陌生，而且在日常生活中你也反覆有過這樣的親身體驗的話，那麼，你就懂得了熱力學第一定律和第二定律。

熱力學概念乍聽起來有些深不可測，其實它們是我們所知道的最簡單而又給人印象最深的科學概念。熱力學的兩個定律可以用一句簡短的句子來表達：

宇宙的能量總和是個常數，總的熵是不斷增加的。

這也就是說我們既不能創造，也不能消滅能量。宇宙中的能量總和一開始便是固定的，而且永遠不會改變。熱力學第一定律就是能量守恆定律，它告訴我們能量雖然既不能被創造又不能被消滅，但它可以從一種形式轉化為另一種形式。

我們應該牢記的最重要的一點，就是我們不能創造能量。從來就沒人創造過能量，也永遠不會有人能創造。我們力所能及的只是把能量從一種狀態轉化成另一種狀態。要理解這一點不甚容易，特別是考慮到一切都是由能量所生成的。世間萬物的形態、結構和運動都不過是能量的不同聚集與轉化形式的具體表現而已。一個人、一幢摩天大樓、一輛汽車或一棵青草，都體現了從一種形式轉化成為另一種形式的能量。高樓拔地而起，青草的生成，都耗費了在其他地方聚集起來的能量。高樓夷為平地，青草也不復生長，但它們原來所包含的能量並沒有消失，而只是被轉移到同一環境的其他所在去了。我們都聽說過這麼一句話：太陽底下沒有新鮮東西。要證實這一點你只需呼吸一下。你剛才吸進了曾經讓柏拉圖吸進過的5000萬個分子。

如果我們需要考慮的僅僅是熱力學第一定律，那我們濫用那萬世不竭的能源也沒有什麼奧妙了。然而我們知道世界並非如此。比如我們燒掉一塊煤，它的能量雖然並沒有消失，但卻經過轉化隨著二氧化碳和其他氣體一起散發到空間中去了。雖然燃燒過程中能量並沒有消失，但我們卻再也不能把同一塊煤重新燒一次來做同樣的功了。熱力學第二定律解釋了這個現象。它告訴我們每當能量從一種狀態轉化到另一種狀態時，我們會“得到一定的懲罰”。這個懲罰就是我們損失了能在將來用於做某種功的一定能量。這就是所謂的熵。

熵是不能再被轉化做功的能量的總和的測定單位。這個名稱是由德國物理學家魯道爾夫·克勞修斯於1868年第一次造出來的。但是年輕的法國軍官沙迪·迦諾卻比克勞修斯早41年發現了熵的原理。迦諾在研究蒸汽機工作原理時發現，蒸汽機之所以能做功，是因為蒸汽機系統裡的一部分很冷，而另一部分卻很熱。換一句話說，要把能量轉化為功，一個系統的不同部分之間就必須有能量集中程度的差異(即溫差)。當能量從一個較高的集中程度轉化到一個較低的集中程度(或由較高溫度變為較低溫度)時，它就做了功。更重要的是每一次能量從一個水平轉化到另一個水平，都意味著下一次能再做功的能量就減少了。比如河水越過水壩流入湖泊。當河水下落時，它可被用來發電，驅動水輪，或做其他形式的功。然而水一旦落到壩底，就處於不能再做功的狀態了。在水平面上沒有任何勢能的水是連最小的輪子也帶不動的。這兩種不同的能量狀態分別被稱為“有效的”或“自由的”能量，和“無效的”或“封閉的”能量。

熵的增加就意味著有效能量的減少。每當自然界發生任何事情，一定的能量就被轉化成了不能再做功的無效能量。被轉化成了無效狀態的能量構成了我們所說的汙染。許多人以為汙染是生產的副產品，但實際上它只是世界上轉化成無效能量的全部有效能量的總和。耗散了的能量就是汙染。既然根據熱力學第一定律，能量既不能被產生又不能被消滅，而根據熱力學第二定律，能量只能沿著一個方向——即耗散的方向——轉化，那麼汙染就是熵的同義詞。它是某一系統中存在的一定單位的無效能量。

現在我們再回到起了“熵”這個名稱的克勞修斯那裡。他意識到在一個封閉系統裡，能量水準的差異總是趨向於零。任何人只要把燒紅了的火鉗從火堆裡取出來，他就會注意到這個使克勞修斯得出熵的定律的現象。當一把燒紅了的火鉗從火中取出時，我們很快注意到火鉗開始冷卻，而周圍空氣的溫度卻開始上升。這是因為熱量總是從溫度較高的物體流向溫度較低的物體。經過足夠長的時間後，我們碰一下鐵鉗，然後用手感覺一下週圍空氣。啊!它們的溫度完全一樣了。專家們把這種沒有任何能量級別差異的狀態叫做能量平均狀態。水在平面時就處於這種狀態。在這兩種情況下，冷卻了的鐵鉗與平面上的水都不能再做有用的功了，它們的能量是封閉或無效的。但這並不是說人們就不能重新用水桶把水從壩底提到壩頂再讓水落下來，或者把火鉗再一次加熱。然而這兩個過程又將進一步消耗新的有效的自由能。

能量平均狀態是熵值達到最大的狀態，那時將不再有任何自由能量來進一步做功了。克勞修斯在總結熱力學第二定律時說：“世界的熵(即無效能量的總和)總是趨向最大的量的。”

我們地球上有兩個有效能量的來源：一個是地球本身所蘊藏的能量，另一個是太陽能。經濟學家赫爾曼·戴利對兩者之間的區別做了如下的解釋：

地球本身的能量貯備有兩個來源：一個是在對人類有意義的時間內可以再生的能源，另一個是隻在地質學意義上的時間內可被再生，因而對人類來說只能被看成是不能再生的能源。地球上熵值較低的能源貯備可以分成能量與物質。地球本身的能源與太陽能都是有限的。地球上不可再生的能源是有限的，地球上可以再生的能源也是有限的，而且一旦消耗殆盡，它們也會變成不可再生的能源……太陽能雖然就其總能量而言是永不枯竭的，但按其到達地球的速率和形式而言，卻又是十分有限的了。

雖然太陽能量的總和每秒鐘都在遞減，然而遠在它的熵達到最大值之前，地球上的能源就早已告罄了。每當你點燃一支香菸的時候，世界上的有效能量就減少了一點兒。當然就像我們已經指出過的那樣，在一段孤立的時間內的一個特定場合，我們可以逆轉熵的過程；但我們同時卻必須消耗更多的能量，並使整個環境的熵的總值進一步增加。這點對工業回收有特殊意義。許多人相信，只要我們發展適當的技術，那麼我們所用過的一切東西都是可以被完全回收並再次使用的。其實不然。雖然更為有效的回收技術對我們這個星球的生存的確有著十分重要的意義，然而要做到接近100%的回收是不可能的。目前絕大多數金屬的平均回收率為30%。而且回收過程中廢舊材料的收集、運輸和處理都要消耗額外的能量，導致同一環境裡熵的增加。

每個孩子在學習生物學基本原理時都被告知自然界一切物質是在不斷迴圈再生著的。這一點並沒有錯，因為它說的只是物質既不能被創造也不能被消滅，是熱力學第一定律的重複而已。然而不幸的是人們往往忽略了熱力學第二定律。而這一定律告訴我們，物質雖然可以迴圈再生，但必須以一定的衰變為代價。比如我們從地底下挖出一塊金屬礦石並將它冶煉成一件餐具。在餐具的使用期內，由於磨損，金屬分子不斷地離開這件餐具。這些離開了餐具的金屬分子並沒有被消滅，它們最終又回到了土壤中。但它們現在是零零星星地散失在土地裡，而不是處於一種聚集狀態，因而已不能再像原來那塊金屬礦石一樣被有效地使用了。也許我們可以找到一個方法來回收這些四處散失的金屬分子，但在同時我們又要付出熵的更大增加的代價。我們必須安裝一部機械裝置來收集這些分子，還要動用新的能源來啟動這個裝置。機械裝置本身又來自地表裡的金屬礦石，而它在回收其他零星金屬分子時又會磨損，又要損失自身的金屬分子。同時，回收裝置所耗費的能量又使熵有所增加。

當有效能量告罄時，我們稱之為“熱寂”。當有效物質用盡時，我們稱之為“物質混亂”。兩者導致的都是熵，都是物質與能量的耗散。結果它們的集中程度降低，做有用功的能力也降低。

有些科學家爭辯說，經過很長的時間，太陽能夠對地表起一定作用，使消散了的金屬分子又重新回到聚集的狀態中去。這在統計數字上也許是可能的，但對人類卻無濟於事，因為這個過程是用地質學上的時間來衡量的，也就是說要花好幾十億年的時間。然而在短期內，在一些特定的地理區域裡，能源與物質的熵的增加則是實實在在的現象。

--人教版高三《語文》下冊第二課

阮一峰