一种新的世界观教学参考_在线教学教案查询
一、背景知识
1865年,德国物理学家克劳修斯首次将熵这个概念引入热力学,用来阐明热力学第二定律。1877年,奥地利物理学家玻耳兹曼提出了玻耳兹曼关系式,建立了熵与系统微观性质的联系,赋予了熵统计学的意义。1929年,匈牙利物理学家西拉德又阐述了熵与信息的关系,揭示了熵的新的意义。在热力学中,熵是测定不能再用来做功的能量的量;在统计物理学中,熵是衡量微观系统无序程度的量;在信息论中,熵成为信息不确定度的量。如今,不仅在科技领域,而且在社会科学甚至人文科学领域,都随处可见到熵这一概念。1959年,英国当代着名作家斯诺在剑桥大学作了一次讲演,题目是“两种文化及再谈两种文化”,指出人文科学和自然科学的对立造成的文化分裂,致使人文学者和科学家再也无法就同一重大社会问题共同进行认真研讨。他认为,一个作家对热力学第二定律毫无所知,就等于一个科学家没读过莎士比亚的作品。
美国当代着名社会学家里夫金和霍华德1981年出版了《熵:一种新的世界观》,从热力学第二定律出发,对熵这一物理概念作了哲学阐释,论述了政治、经济、教育、宗教等诸多领域的许多重大问题,在西方学术界引起震动。
《熵:一种新的世界观》一书,特别对科学技术的迅速发展所带来的负面影响作了深刻的分析,指出科学技术在创造财富的同时,也给人类制造出许多垃圾。这种对科学文化的批判,是有其学术背景的。
现代科学不过仅有几百年的历史,然而它却从根本上改变了我们这个世界。科学技术解放了人类的体力甚至脑力,提高了我们的生活品质。科学意味着福音,我们无时不在享受科学技术的发展所创造的现代文明。英国历史学家汤因比说,科学已取代了传统的宗教,成为现代人的新宗教。然而,科学作为一种文化,也并非完美无缺。它在传播福音的同时,也不自觉地扮演着魔鬼。对技术进步的乐观,对物质增长的贪求,使人类陷入种种困境,如环境污染、能源危机、战争威胁等。1972年,西方着名的未来学研究团体罗马俱乐部发表了关于人类困境的研究报告,名为“增长的极限”,第一次系统地论述了科技发展、生产力提高以及经济增长和自然资源、生态环境的关系,提出了“增长的极限”的理论,指出人口和经济的增长,必然耗尽世界上不可再生的自然资源,同时污染环境,威胁人类生存。罗马俱乐部的报告,向世人敲响了警钟,对近代西方文化中经济无限增长的癖好作了批判。《熵:一种新的世界观》就是在这样的背景下诞生的一部学术着作。它所讨论的社会问题,比《增长的极限》要广泛、深入得多。
二、内容理解
课文节选自《熵:一种新的世界观》的第二章第一节,主要解释了“熵的定律”的物理学意义,进而强调了有效能源的不可再生性,对能源危机表示深深的忧虑。
第一段开头,作者先引用南非文化人类学家麦克斯·格拉克曼的话,来说明热力学第一定律和第二定律经过科学家的“呕心沥血”和“绞尽脑汁”,已成为“物理学基础教程”的内容;然后举了几个“地球上各民族文化的民谚”,说明热力学两个定律的原理即使在生活中也能体味得到。经过这样的铺垫,似乎“深不可测”的热力学概念变得可以亲近,作者才在第二段中将热力学的两个定律用一句话概括出来,即“宇宙的能量总和是个常数,总的熵是不断增加的”,至此引出了“熵”这一概念。
接下来,作者并没有急于解释“熵”的涵义,而是把上面的概括分解,作通俗的阐释。首先指出热力学第一定律的实质就是能量的守恒和转化,但又强调能量“既不能被创造又不能被消灭”,为下面说明热力学第二定律埋下伏笔。在说明能量“从一种形式转化成为另一种形式”时,举的例子都贴近生活:高楼拔地而起又夷为平地,青草生成而又“不复生长”。最后又用《圣经》中的话“太阳底下没有新鲜的东西”,形象生动地说明能量“既不能被创造又不能被消灭”,由此过渡到对热力学第二定律的阐释。
能量虽然不能被消灭,但它在转化中却能耗散,从“‘有效的’或‘自由的’能量”变成“‘无效的’或‘封闭的’能量”,我们会因此“得到一定的惩罚”,这个惩罚就是熵的增加。因为“熵是不能再被转化做功的能量的总和的测定单位”。
给出了熵的通俗定义(是用语言而不是用公式表达的)以后,作者又进一步阐述熵的涵义。能量的耗散意味着熵的增加,“熵的增加就意味着有效能量的减少”,有效能量的减少就意味着“污染”的加剧,所以“污染就是熵的同义词”。克劳修斯已经意识到,“能量水准的差异总是趋向于零”,冷却了的铁钳与平静的水面都不能再做功了。能量如果处于平均状态,熵值就达到了最大状态。
议题由能量的耗散,自然过渡到有关“能源危机”的探讨。地球上的可再生能源,满足不了人类的需求,于是不可再生能源飞速耗尽。而太阳能也“每秒钟都在递减”,对它的利用更十分有限。在能源问题上,不允许有半点乐观态度,因为“每当你点燃一支香烟的时候,世界上的有效能量就减少了一点儿”。热力学第二定律是冷酷无情的,“物质虽然可以循环再生,但必须以一定的衰变为代价”。“工业回收”不可能做到100%,何况回收加工又要消耗新的能量,使熵继续增加。从理论上讲,当宇宙中的有效能量告罄时,便达到了一种热平衡状态,即“热寂”。那时,将不会有任何可以做功的能量,更不会有生命。把眼光收回一点,即使在太阳的有生之年,经过几十亿年,太阳或许能把地球上耗散的能量又重新聚集起来,但人类也等不到那个时候就灭亡了。
三、论证方法
1.引用论证
课文节选部分的引用论证有两种,一是引用权威人士的话以增强说服力。如引用格拉克曼的话,阐述热力学第二定律由科学的尖端问题成为基础教育的内容;引用经济学家赫尔曼·戴利的话,论述地球上的能源危机。二是引用一些民间谚语,来增强读者对科学原理的理解(见课文第一段)。
2.概括论证
概括可以抓住事物的本质,具有简明扼要的特点。如将热力学的两个定律概括为一句话,将熵定义为“不能再被转化做功的能量的总和的测定单位”,就抓住了事物的本质,言简意赅。
3.分析论证
本文用得最多的是分析论证方法。在概述一个科学道理或提出一个观点后,作者往往将问题分解开,逐一进行论证。在论证过程中,还举一些生活中常见的事例说明事理,使文章通俗易懂。
●解题指导
一、设计此题,是为了让学生从“民谚”中体会热力学第二定律的涵义,增强一些感性认识。
1.“你不可能不劳而获”意为:任何收获总是要消耗一定能量的,没有赋出就不会有收获。而被消耗的能量,就不能再用来做功了。高楼夷为平地后,不可能自己再拔地而起;水从水坝上流到坝底,不可能自己再返回坝上。要想重新做功,就要消耗新的能量,所以“熵”总是持续增加的。
2.“覆水难收”意为:事物处于凝聚状态,就有了势能;一旦分散开来,就再也不能自动回到凝聚状态。餐具在使用中,由于磨损,金属分子不断离开餐具,最终“零零星星地散失在土地里”。虽然它们依然存在,但已不能作为成块的金属被有效地使用了。
3.“天网恢恢,疏而不漏”是《老子》第七十三章中的话,原意为天道像一张大网,广阔无边,稀疏却不会有一点漏失。后来常用来比喻国家的法网虽宽,却不会漏掉一个坏人。在本文中,这句话意为:自然界虽然广大无边,但也从不疏漏。用课文中的原话来说,就是“每当能量从一种状态转化到另一种状态时,我们会‘得到一定的惩罚’。这个惩罚就是我们损失了能在将来用于做某种功的一定能量。这就是所谓的熵。”
二、设计此题,是为了让学生抓住作者论述的重点,理解作者所阐发的道理。本文在论述中,列举的燃烧的例子有:1.“比如我们烧掉一块煤”,说明煤的能量虽然没有消失,但它却不能再用来做功了。2.“一把烧红了的火钳从火中取出……开始冷却”,说明“热量总是从温度较高的物体流向温度较低的物体”,当温度平均后,就达到了“没有任何能量级别差异的状态”,即“能量平均状态”,不能再做功了,这时“熵值达到最大的状态”。3.“每当你点燃一支香烟的时候,世界上的有效能量就减少了一点儿”,这里形象地说明了能量耗散的不可逆性。点燃一支香烟虽然微不足道,但世界上的有效能量就会因此减少一点儿,真是“天网恢恢,疏而不漏”。
三、设计此题,是为了让学生注意本文概括与分析相结合的论证方法。例如,第六段开头一句“熵是不能再被转化做功的能量的总和的测定单位”就是概述,是论述的要点;然后介绍克劳修斯的发现,说明能量的转化和消耗必然使熵增加。第七段开头“熵的增加就意味着有效能量的减少”也是概述,是论述的要点;然后举“污染”为例,指出“污染就是熵的同义词”。
四设计此题,是为了考查学生综合运用学过的知识论述某一问题的能力。对人类消耗世界上有效能源的规律,《熵:一种新的世界观》中谈到了西方从中世纪到工业时代直至现代社会,由于生产力的发展,生活需求的增长,对木材──煤炭──石油──原子能的开发和利用。参见“有关资料”部分。
●教学建议
本课用三课时教读。
第一课时,教师指导学生通读课文,然后介绍“背景知识”,引导学生进入情境。并请学生结合学过的热力学知识,谈谈对熵的定律的认识,找出课文论述的重点。
第二课时,以提问的方式考查学生对课文内容的理解,允许学生引申发挥,谈出自己的见解。教师可参考“内容理解”部分,纠正学生理解上的偏差。让学生课后完成练习第一、二题。
第三课时,完成练习第三题,在此基础上总结课文的论证方法。然后指导学生完成练习第四题,将“有关资料”中的部分内容作为提示文字复印或抄录给学生。可以引导学生就“熵的问题”作广泛的研讨,说说这是怎样一种新的世界观,这种新的世界观是否过于悲观。也可以利用这一讨论,安排一次小作文。
●有关资料
一、《熵:一种新的世界观》“译者的话”节选(吕明袁舟)
迄今为止,人类文明的历史是勇往直前,所向无敌的历史。我们人类有着得天独厚的与其他动物相比要大得多、也复杂得多的大脑。在大脑的十二分之一的体积里,就有几十亿个神经细胞。人们发明了语言,用来协调行动,以进行有组织的狩猎与生产活动。人又是地球上唯一能驯服并利用火这一体外能源的动物。火不仅被用来驱赶野兽,它也成了人们进行“刀耕火种”的工具。随着畜牧业、农业和工业的发展,人类征服自然的能力又大大加强了。到今天,人类已毫无疑问地攫取、控制了这个星球上的任何一个重要的生态场所,并以征服者的姿态左右着这个星球的命运。
生产力的不断提高和科学技术的飞速发展,使不少人变得踌躇满志。他们坚信,从原始社会、狩猎—采集社会、农业社会、工业社会到后工业社会,每个历史时期与其前身相比都是一个进步,人类社会总是呈现出一个向着更美满的现世生活发展的总趋势。不是吗?谁会怀疑日本汽车制造公司经理那种高效率、高速度、计划严密的生活方式与狩猎—采集型社会成员的闲散而又无计划的生活方式相比是一种进步?谁会怀疑煤炭燃料比木材燃料先进,而石油、电力又比煤炭燃料更先进?他们认为物质进步是没有止境的,财富增长也是没有限度的,而科学技术就是这种永无止境的进步的可靠保证。
这种信念也统治着资本主义经济学的传统流派。从资本主义萌芽起,经济增长就一直是绝大多数经济学家追求的目标。一些经济模式因带来了显着的经济增长而备受他们赞誉,经济的增长和发展也被他们视为人类进步的同义词。尽管有石油危机和其他资源短缺,西方多数经济学家仍认为价格机制和市场调节能防止任何匮乏;任凭天翻地覆,亚当·斯密那只“看不见的手”仍然在经济领域中指点迷津。
1972年,马萨诸塞理工学院的丹尼斯·米都斯领导的一个17人小组向罗马俱乐部提交了一份题为《增长的极限》的报告,对当代西方增长癖文化进行了批判。报告指出,由于地球的能源、资源和容积有限,人类社会的发展和增长必然有一定的限度。用倍增的速度去求得经济和社会的发展,注定会使社会在物质和能源方面达到极限,给人类带来毁灭性的灾难。
《增长的极限》发表后,被翻译成34种文字,在全世界范围内引起了巨大反响。人类社会发展的目的、极限和后果,从此成了全世界最杰出的政治家、社会学家、经济学家和科学家们争论的话题。《熵:一种新的世界观》就是在这种背景下出现的一部很有影响的着作,并已成了马尔修斯学派的后期代表作。
与《增长的极限》相比,《熵:一种新的世界观》涉及的领域要广泛得多,而且意义也更为深远。作者把熵这个物理学的概念广泛运用于哲学、心理学、经济学、政治学、社会学以及西方文化的各个领域。作者在此书中预告了牛顿—笛卡儿科学观的死亡,驳斥了鼓吹不断增长的资本主义经济思想,但最后却得出了历史是一个不断倒退、衰亡的过程这个悲观结论。
所谓熵定律就是热力学第二定律。热力学第一定律告诉我们能量是守恒的、不灭的,只能从一种形式转变到另一种形式。这是不是说我们就可以高枕无忧地滥用那万世不竭的物质和能源了呢?作者认为,不幸的是热力学第二定律表明,能量只能不可逆转地沿着一个方向转化,即从对人类来说是可利用的到不可利用的状态,从有效的到无效的状态转化。用加尔文的话来说,这种无效能量已“从人们那里不可挽回地失去了……尽管它并没有湮灭”。而物理学意义上的熵,就是这种不能再被转化做功的能量的总和。
熵定律不仅适用于地球这一特定系统,而且也适用于包括所有星系和银河系在内的整个宇宙。作者以一种显然十分赞同的口吻阐述了以赫尔姆霍茨“热寂”学说为依据的宇宙观。它认为整个宇宙是以一个密集能源的大爆炸开始的。当这个稠密能源向外膨胀时,它的膨胀速度逐渐减慢,从而形成了银河系、恒星和行星,因此能源也渐渐失去原来的秩序,最后达到最大值的熵,即热寂的最终热平衡状态。那时一切能量差别均趋向于零,所有有用能量已消耗一空,到处是永恒的死寂。这也就是说我们的宇宙正无可挽回地走向死亡。
作者认为古代希腊社会由鼎盛走向衰亡的历史观与当代那种认为人类社会在不断进步的历史观相比,前者更准确地反映了现实。希腊神话意义深远地把历史划分为黄金时代、白银时代、青铜时代、英雄时代和铁器时代。黄金时代是历史的顶峰,是富饶和充足的时代。黄金时代以后,每个时代都比前一个时代更为退化、粗俗、严酷。
作者认为人类历史是江河日下的历史,而且人类思想的发展也不见得是一个进步的过程。作者声称,几世纪来人类思想与人类其他活动一样,正朝着一个越来越复杂、抽象、浪费的状态发展。特别是自从引进控制论和现代信息论以后,科学家们认识到收集信息和储存知识都要花费能量,因此也是熵过程的一个组成部分。
知识的取代还破坏了世界的原始美,就像夏娃吃了知识之果就标志着一个漫长的苦难历程的开始一样。从本能、直觉、理智到抽象思维,人类思想发展的每个过程都越来越复杂、集中、抽象。而且我们得到的信息越多,我们有时反而更加糊涂。心理学家称这种情况为“信息超载”。作者还认为美国精神病剧增是与信息革命并行不悖的。
熵定律的提出,无疑也是向鼓吹无止境经济增长的传统经济学提出了挑战。这样的经济学的一个基本前提,或者说一个基本错觉,就是人们在生产而不是找到能源和物资。事实上能源和物资是一项资本,一项并不是人们生产出来的,而是地球所赋予的、不可替代的有限资本。正如作者所指出的,由于经济的快速增长以及人们对科学技术的崇拜和放纵,世界非再生的能源和物质材料的耗散实际上在加速增大,两者的熵正提高到了一个非常危险的水平。
要理解这一危机的严重性,我们有必要理解当今社会的一个显着特点,即人口、经济以及对非再生的能源和物资的耗费的指数增长。就人口而言,人类人口达到第一个10亿花了整整200万年,再增加10亿只花了100年,第三个10亿却只花了30年(1930~1960年),第四个10亿竟只花了15年。照这样的速度发展下去,人们预计到2000年,世界人口将大约是70亿。那时,全世界的能量需求将是现在的4倍。而要在将来十几年内保持中等水平的全球经济增长,那么普通矿产的消费必须增长5倍,食品消费必须增长4倍。这种指数增长如果不加控制,必然会导致这样的悲剧──耗尽地球上的非再生能源。人类正处在这样一个十字路口上。
历代的哲人早就认识到了这样的事实。先秦时代的韩非子曾说道:“今人有五子不为多,子又有五子,大父未死而有二十五孙,是以人民众而货财寡,事力劳而供养薄。”普罗米修斯把火交给了人类,给了人类以无穷的力量。然而我们也不应该忘记,普罗米修斯同时也曾警告人类,如果不谨慎使用,火也能给人类带来灾难。
二、《熵:一种新的世界观》中关于历史上的能量的论述(里夫金霍华德)
只要我们略为观察一下两个重要的历史时期,就会发现历史确实是在按熵定律发展。让我们来看一下公元4世纪到19世纪的西欧,这段历史对现代世界模式以及我们美国的生活方式的形成有着重要意义。历史学家们把这15个世纪划分成两大部分:中世纪和工业时代。文艺复兴通常被看成是两个时代之间的过渡。
流行的教科书通常把从中世纪到现代的过渡归功于人类思想的伟大复苏──好像这以前整个人类莫名其妙地决定停止思想,整整冬眠了几百年似的。虽然学者们为新教徒改革,资产阶级和资本主义的兴起以及在这些重大变革中开辟的商业通道的意义争论不休,但很少有人费心去讨论这些变革背后的真正原因。事实上13~16世纪之间是西欧一个重大的熵的分界线。木材,这一中世纪生活的能源基础日益短缺,人口的增长进一步加剧了木材的匮乏。人们开始寻找出路,终于以煤代替了木材。从以木材为主的能源环境到以煤为主的能源环境的转变,深刻地改变了整个西欧的生活方式。从木材到煤的能源环境是中世纪灭亡、工业革命出现的主要因素。
今天的欧洲对每一块空间的有效利用,都给参观者留下了深刻的印象。每一件东西似乎都按几何形状和尺寸安排得井井有条,即使是空地,看上去也像是规划过的,仿佛整个欧洲大陆从鸿蒙初辟之时就被规划得一丝不苟、毫厘不差。很难想像公元4世纪的时候,这块大陆还只是从阿尔卑斯山到喀尔巴阡山脉之间的一片广袤的密林。一只鸟在森林上空飞上几百英里也很难看见一块空地。偶尔有几块林中空地,一缕青烟会从那里升起。篝火边有几座草屋,几十个人在森林边缘来回忙碌。
西欧的土壤与中东半干旱地区分量很轻的土壤有很大的差异。西欧气候潮湿,土壤又黏又沉,耕耘十分困难。环境的特点给耕作带来了一些基本的变化,这些变化深刻地影响了欧洲大陆未来的发展。
古罗马的旧式扒犁不够坚固,耕不动欧洲肥沃但又沉重的土壤。到6世纪中期,斯拉夫农民开始使用一种更结实的新式犁。这种十字型的犁有轮子和两片刀刃。它装有“一刃竖直的刀片用来开沟,一把水平的犁头,以及一块模板用来翻土”。这种新型的犁耕起地来非常有力,使传统的交叉耕耘法失去了作用。
这种新型的十字型耕犁改变了整个农业生活的结构。十字型耕犁很沉重,需要把8头耕牛编成一组才能带动。既然没有任何农户拥有这么多耕牛,那就必须把牛集中起来共同使用。同样重要的是,使用新式犁以后再把土地划成私人占有的小块就不合算了。这种又大又沉的耕犁最适合在大片空地上使用。这两个原因使集体耕种成了北欧封建领地大部地区的基本模式。
到公元9世纪,十字型耕犁已被引入欧洲大陆许多地区。由于它特别适合耕种河谷地区的肥沃土地,因而导致了大片低地森林的毁灭,因为人口不断增长使越来越多的森林被开发成为耕地。
十字型耕犁问世以后,又出现了两项新的技术。在北欧的一些土壤肥沃地区,人口的增长不断加快,这就迫使收成也必须相应地增长。三熟循环制就这样取代了传统的两熟制。两熟制让一半耕地休闲以恢复土壤的肥力,而三熟循环制却只让三分之一的土地休闲。后者有几个优点。首先生产力提高了三分之一,其次耕耘总量又减少了九分之一。当然,这种近期内增加收成的做法只是加快了土壤肥力的消耗。通过土地使用率的提高,三熟制加快了土壤能量的耗散过程以及熵的过程。
三熟制还使马匹代替耕牛成了可能。马的工作速度是牛的两倍,但除了草之外它还要吃谷物。由于采用三熟制而增加的耕地提供了能用来喂养用于耕地的马匹所需的剩余燕麦。但在有效地使用马来耕地之前,人们还必须完成三项技术改进。到公元11世纪,现代的马轭已开始使用,铁制的马蹄已经发明,那种一前一后纵列套马的方法也日趋完善。这三项技术使马队能拖动更重的十字犁,从而使耕种的速度大大加快。
十字型耕犁、三熟循环制以及马匹的使用,大幅度地提高了现有土地的生产能力,并激励人们去开发更大面积的土地。公元9~13世纪的农产品剩余,导致了人口的急剧增长。人口的增长反过来又迫使人们过度开发已有的耕地,并且毁灭了更多的森林。每一个熵的重要分界线到来之前总要出现的那种恶性循环已经开始。技术的进一步完善增加了能量流通和人口的数量,加快了熵的过程。到14世纪中叶,一个熵的分界线终于到来了。人口的增长超过了能源基础所能承受的程度。土壤侵蚀和木材短缺严重地威胁着西欧和北欧人民的生活。到12世纪,欧洲的部分地区引进了风车(水车使用更加普遍),从而挽救了本来已不能再使用的土地。但这么一来森林更加减少,人口更加增长。
虽然林地的不断开发大大减少了有用木材的贮备,但真正导致木材恐慌的却是高度发达的商业活动。新兴的玻璃和肥皂工业需要大量的草木灰,然而对木材需求最大的是制铁工业和造船业。到16世纪和17世纪初叶,英国木材危机已经十分严重,结果成立皇家委员会来管理森林的砍伐。委员会的条例无济于事。与15世纪末期的木材价格相比,17世纪30年代的木材价格上升了两倍半。
人们用来解决木材危机的办法是煤炭。但它不仅是一种能源基础代替另一种的简单问题。既然欧洲的所有文化已被统一在一种以木材能源为基础的生活方式之下,那么这个变化就必然导致整个生活方式的急剧变化。人们的生产、衣着、旅行等行为方式,以及政府的统治形式,都经历了天翻地覆的变化。
这场危机是在13世纪亨利二世时代的英国爆发的。纽卡斯尔城的木柴告罄,有人活活冻死。于是国王恩准百姓改用煤作为能源。
教皇皮厄斯二世于15世纪记录下了他出访苏格兰时的情景。他吃惊地发现衣衫褴褛的贫民排在教堂门口“接受教堂施舍的黑色石块,然后心满意足地离去。他们燃烧这些黑色石块,来代替他们国家所缺乏的木材”。到1700年,煤开始取代木材成为英国的能源基础。不到150年西欧许多国家也都用起煤来。
如今我们把煤取代木材看成是一个飞跃,是进步势力的巨大胜利。可当时的人们却不是这样认为。煤在当时受到鄙视,是劣等能源。煤很脏,带来了大量污染。1631年埃德蒙·豪斯哀叹道:“人们只能以煤取火,殷实之家亦不例外。”
煤比木材更难开采、加工,因此把它转化到有用状态要耗费更多的能量。这一点也可以在热力学第二定律的作用中找到答案。世界上的有效能源不断被消耗掉,而最先消耗的总是最容易得到的能源。后一个能源环境所依赖的能源总要比前一个能源环境的主要能源更难获得煤的。开采和加工比树木的砍伐更困难。而石油的开采和加工还要困难。分裂原子以获得核能就更麻烦了。
我们一贯理所当然地认为历史进程的飞跃是由于某一个人找到了更有效的方法。殊不知这些所谓的有效方法实际上只是为了适应更为贫瘠、严酷、更加难于利用的能源环境而找到的不同出路而已。就像威尔金森所提到的那样,每一种新的方法最终需要更多的功(或能量)──即使做功的是非人类能源。蒸汽机的发展就是一个很好的例子。
学校教员讲起工业革命时总是说:有一天一位叫詹姆斯·瓦特的年轻天才正在他的车库或什么地方敲敲打打,忽然发明了他称之为蒸汽机的那个小玩意儿。全世界很快就知道了这个发明,于是一眨眼工业时代就轰轰烈烈地到来了。从来没有人告诉我们早在公元前3世纪希腊人希洛就已经设计了一台蒸汽机。只是因为希腊人有的是奴隶,并不需要蒸汽机来干活,因此它只是成了宫廷玩具。且不说希腊人怎么样,让我们来看一看现代蒸汽机发展背后的真正原因。这将向我们生动地表明重大的技术变革(而不仅仅是现有技术的改进)是由能源环境的变化引起的。
现代蒸汽机最初是用来开采煤矿的。为了获得新的煤源,煤矿在地下被越挖越深,因此井下通风以及如何把煤块运出矿井就成了很大的问题。17世纪的煤矿还面临着另一个困难。当煤矿挖到一定深度时,就碰上了地下水,于是人们又必然考虑排水的问题。所有这些问题都需要有一个技术来解决。于是蒸汽机就应运而生了。一个叫托马斯·萨弗里的人于1698年获得了第一台蒸汽水泵的专利权。
蒸汽水泵不过是直接产生于新的煤炭能源环境的一连串机械发明中的第一个。蒸汽水泵的发明刚刚解决了采煤问题,马上又出现了一个同样棘手的问题:如何将煤运送到分布在全国各地的市场上去。用马车在陆地上运送十分沉重的煤不甚方便。英国当时的大部分道路还没有铺上路面,煤车的重载会在泥地上留下深深的车辙,一到雨天就成了泥沟,根本无法通行。同时由于耕地奇缺,不能生产足够的庄稼来同时养活人和马匹,于是喂养运输马匹的费用就变得日益昂贵。为此人们发明了蒸汽机车和火车路轨来解决运输危机。与蒸汽水泵一样,蒸汽机车是人们用来对付新的能源环境的技术措施。蒸汽水泵和蒸汽机车同时为接踵而至的工业时代奠定基础。
与木器时代的斧子、马匹和车辆相比,蒸汽水泵与蒸汽机车的耗能技术要复杂得多。然而当时的能源环境也要严酷得多。在整个历史发展过程中,科学技术的重大变化总是呈现出日益复杂,能量消耗越来越大的趋势。每一次重大的环境变化都趋向于采用更加稀少的能源。
每一种新的环境的产生不仅意味着所需工作量的增加,而且每一种新的技术又往往被看成是旧技术拙劣的替代。有时人们能立刻意识到这一点,但有时人们要等到新的方法完全站住脚后才渐渐明白过来。就拿罐头食品和盒装食品来说吧,尽管加工食品曾在很大一段时间内被誉为更优越的食品,但,要是今天人们能够在加工食品与新鲜食品之间作选择的话,很少有人会挑选前者。生产加工食品要比生产传统食品需要多得多的能量或工作量。
三、热力学第二定律(冯端冯步云)
热力学第二定律的思想萌生于卡诺,他对此作出了不朽的建树。1850年,克劳修斯从能量守恒所提供的新的角度描述了卡诺循环。他发现,卡诺所说的需要有两个热源和他提出的理论效率公式,都表达出热机所特有的问题:一定要有一个对转换进行补偿的过程(在此处,就是用接触一个低温热源的方法进行冷却的过程),以便使热机恢复到它初始的力学状态和热学状态。在表达能量转换的平衡关系中当然要包括两个过程:一个过程是热源之间的热流,另一个是热转变为功。
在理想的卡诺循环里,做功的代价是热所付出的,这热量从一个热源传到了另一个热源,一方面产生了机械功,另一方面传输了热量。这两个方面所表达的结果被一个当量关系联系起来。这个当量关系在两个方向上都是有效的。令同一个热机倒过来工作,则它消耗所做的功的同时,可以恢复原来的温度差。任何使用单一热源的热机都不可能被制造出来──这意味着第二类永动机不可能实现。
卡诺和克劳修斯所提出的问题,导致对基于守恒和补偿的理想热机的描述。然而,新的科学不仅要求描述理想化的过程,而且要描述自然本身。这样就使人们有机会提出并接触一些新问题,例如能量损耗的问题。开尔文很快就抓住了该问题的重要意义,并在1851年提出了:
“不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用功而不产生其他影响。”
这一表述就是历史上称之为“热力学第二定律的开尔文说法”。当然,这里所说“单一热源”是指温度均匀并且恒定不变的热源。这容易理解,若不是如此,那实际上就相当于有若干个热源了,工作物质可由热源中温度较高的一部分吸热而向热源中温度较低的另一部分放热;而所指的其他影响则是除了由单一热源吸热全部转化为功以外的其他任何(包括系统与环境)变化。
由开尔文的说法,我们又一次看到了卡诺所发现的热机,必须工作于两个热源之间的结论蕴含的原则性意义。
诚然,热力学第二定律的开尔文说法实质上表达了第二类永动机不可能,不过说得更加清楚,更便于应用。它指出,任何热力学过程,系统在吸热对外做功的同时,必然会产生热转化为功以外的其他影响。譬如,可逆等温膨胀确是从单一热源吸热全部为功。但在热转化为功的同时,已使得原来的世界不复保持原状:系统的体积膨胀了。
热力学第二定律内容宽广而深刻,但含意比较隐晦,因此,有许多种叙述方法。开尔文说法揭示了自然界中的一个方面:功、热不等价,功转化为热的不可逆性。自然界中有多种多样的不可逆过程,如热量传递的不可逆性,即热量总是自发地从高温热源流向低温热源。但其逆过程,热量从低温热源流向高温热源则需借助于制冷机。有关这一不可逆过程,克劳修斯如是说:
“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他影响。”
历史上称之为“热力学第二定律的克劳修斯说法”。
热力学第二定律的克劳修斯说法及开尔文说法,虽然描述的是两类不同的现象,表述亦很不相同,但二者都强调了不可逆过程:克劳修斯说法实质上说热传递过程是不可逆的;开尔文说法实质上说功转变为热的过程是不可逆的。违反一种说法的行为,若和一正常热机或制冷机耦合,就必然导致违反另一种说法的行为。这就证实了两种说法是完全等价的。不言而喻,只有这样,才可能把它们都称为热力学第二定律。
应该强调指出,正是各种不可逆过程的内在联系,使得热力学第二定律的应用远远超出热功转换的范围,成为整个自然科学中的一条基本规律。
(选自《熵》,科学出版社1992年版)
