《科技大師系列講座XII》第十三講—— 邢院士主講《神奇的熵世界》

邢定鈺院士

  澳門科技大學2011/2012學年《科技大師系列講座XII》第十三講,於2012年5月9日舉行,主講嘉賓為著名凝聚態物理專家、中科院院士刑定鈺。是次講座主題為《神奇的熵世界》。

  刑院士首先講解了熵的概念,他說,熵是一個重要的物理量,但是熵也以其難懂而聞名,他引用英國作家史諾的一句話來闡釋熵及熱力學第二定律的重要性,這句話是這麼說的:“人文知識份子不懂熱力學第二定律,就好像科學家未讀過莎士比亞一樣令人遺憾。”

  隨後,刑院士從詹姆斯•瓦特、薩迪•卡諾等物理史上重要的人物娓娓道來,講述了熱力學第一定律和第二定律的誕生。他說,熱力學第一定律的誕生,也意味著“永動機”夢想的破滅。刑院士進一步闡釋道,不消耗能量的機器叫第一類永動機,第一類永動機違反能量守恆與轉換定律,是不可能造成的;而從單一熱源吸熱使之完全變為有用功而不產生其他影響的熱機稱為第二類永動機,雖然第二類永動機不違反熱力學第一定律,但第二類永動機仍然不可能製成,因為機械能和內能的轉化過程具有方向性。

  接下來,刑院士為大家列舉了自然界中許多自發的不可逆過程,並進而提出,怎樣用一個物理量定量地描述熱力學第二定律?他說,為了回答這個問題,“熵”的概念應運而生,1865年,德國物理學家魯道夫•克勞修斯首次提出了熵的概念,定量地描述不可逆過程的方向和限度。後來,中國物理學家胡剛複教授則確定了“熵”的中文譯名。

  刑院士說,熵的增加就意味著有用能量的減少,熵可用來表示系統的混亂程度,熵越大,即越無序;越是有序,越不均勻;越是無序,越均勻。他指出,系統總是力圖自發地從熵值較小的狀態向熵值較大的狀態轉變,這就是“熵值增大原理”。刑院士還用草坪日光浴、停車場停車位的圖解,讓大家更加直觀地瞭解了熵的意義。

  最後,刑院士提到了生物熵、資訊熵和社會熵等不同學科領域的熵,並介紹了宇宙終極的“熱寂說”及對“熱寂說”的批判。在談到對社會熵的理解時,刑院士表示,社會熵至少體現在三個方面,分別是“社會的有序需要法冶”“有開放、交流的必要”和“節約能源就是保護環境”。