如果想未來還能繼續見證歷史，越是這種時候，越要沉得住氣，別亂動。
——坤鵬論
一、逆向而行，好好學習，天天向上！
昨晚，WTI原油期貨歷史首次收於負值！
不少人紛紛表示：以前一年碰到一個黑天鵝就覺得是個大事，現在過一禮拜沒碰到黑天鵝就覺得缺了點什麼！
還有人說，2020年過去四分之一了，我啥事沒幹，光見證歷史了。
如果想未來還能繼續見證歷史，越是這種時候，越要沉得住氣，別亂動。
實話說，這種時候，只要是個人類，不管他是誰，都懵逼。
就連股神巴菲特不都被稱為巴韭特了嗎！
虧點錢不算什麼，算電影票錢，活著就好。
全球化的地球被各種鏈條連接在一起，黑天鵝覆蓋全球，連鎖之下，蝴蝶效應。
讓自己不亂動的最好辦法，就是學習！
越是這種時候，越要瘋狂地學習。
以前講過，人最怕的不是不快樂，而是無聊。
同時，在學習上，啃點有難度的、能讓人思考的、且存在五十年以上的知識。
塔勒布提到的林迪效應，真的非常有道理。
今天，坤鵬論繼續分享對於熱力學第二定律的學習。
熱力學第二定律，以抽象、難以理解著稱。
但是，它確實是一個很有哲學意味的定律。
不僅表明了熱量轉換的定律，熱機效率的限制，能量質量概念的引入，以及由此而引出的熵的概念。
也指明瞭宇宙、世界變化的方向，也就是時間的方向。
也正因為如此，坤鵬論才從基礎的部分學起並分享。
越是基礎，才越離本質最近。
反而，如果你不明白熱力學的發展過程，上來就去理解熵，再沒有哲學基礎，必然會暈頭轉向。
這也是網上許多講熵的文章不僅沒起到普及作用，反而把人們越搞越暈的原因。
同時，在學習過程中，坤鵬論也發現，要想學什麼，必須得買些嚴謹的圖書對照學習，網上的文章實在謬誤太多了。
而且，像我們這樣的菜鳥，沒有任何基礎，自然也就沒了分辨真偽的能力。
這下就更慘了，就是揣一肚子錯誤還不自知。
正如坤鵬論以前對於熵的理解，就是這個問題造成的。
二、永動機2.0
熱力學第一定律橫空出世後，許多人恍然大悟，原來永動機1.0根本就是違反該定律的，能成功才怪！
但是，如果永動機符合熱力第一定律呢？
既然定律說，要想讓物體運動，必須有能量來源，能量來源或取之於外界，或取之於自身，或取之於兩者。
而且，能量可以從一個物體傳遞到另一個物體，與機械能相互轉化。
那麼，如果能夠從外界不斷吸取能量，比如：空氣、大地、大海，甚至宇宙。
這些都是自然的熱庫呀！
這不就找到取之不盡、用之不竭的能源了嗎？
有人測算過，如果能造出這樣的永動機，只要使整個海水溫度降0.01攝氏度，機器產生的功效就能讓全世界的工廠運轉上千年。
想想看：
大海航行不用燒煤或燒油，利用海水熱量船就能航行在海上；
冰箱不必耗電反而可以用來發電而提供動力……
令人更加激動的永動機2.0概念誕生了——史稱第二代（類）永動機！
三、讓永動機2.0黯然銷魂的熱力學第二定律
在《你可以不懂物理 但不能不明白能量守恆定律！》中，坤鵬論提到，卡諾很早就提出了熱力學第二定律的核心——熱機的熱效率僅取決於兩個熱源的溫度差。
這個溫度差，大家一定要牢牢握在手裡，它是本質級的概念。
簡單講，溫度差產生熱能，有了熱能就可以對外做功。
因為熱力學第二定律博大精深，且有哲學意味，所以它的概念可以從不同方向去表述，於是，也就出現了多個概念表述。
比較著名的有三個，坤鵬論下面一一分享給大家。
1.熱力學第二定律的克勞修斯表述
1850年，德國物理學家、數學家魯道夫·尤利烏斯·埃馬努埃爾·克勞修斯發表了其最重要的論文——關於熱的力學理論。
其中，首次明確指出熱力學第二定律的基本概念，也就是“熱力學第二定律的克勞修斯表述”：
——熱，總是從高溫物體傳到低溫物體，在沒有任何變化的情況下，熱，不可能自發地從低溫物體傳到高溫物體。
其實，這是克勞修斯從能量守恆所提供的新角度描述了卡諾循環。
他講的是熱量的流動方向。
那麼，怎麼才能讓低溫物體向高溫物體傳熱呢？
這時候，可以通過外界給能量的辦法。
比如：冰箱，裡面冷外面熱，但是，它通過消耗外界給的電能對製冷系統做功，使其能夠將裡面的熱放到外面。
注意，這個過程並不是自發進行的，它引起了其他變化，也就是消耗了電源的電能。
再比如：回到《你可以不懂物理 但不能不明白能量守恆定律！》看一看前面名詞部分對熱機的解釋。
鍋爐加熱→水變成高溫高壓的蒸汽→推動活塞對外做功→水變成低壓蒸汽→被送到冷凝器冷凝成水→重新送回鍋爐加熱
其中送到冷凝器，就是用接觸一個低溫熱源的方法進行冷卻的過程，從而讓熱機恢復到它初始的力學狀態和熱學狀態。
所以，能量轉換的平衡關係就包括了兩個過程：
一是，熱源之間的熱流；
二是，熱轉變為功。
熱量從一個熱源傳到了另一個熱源，一方面產生了機械功，另一方面傳輸了熱量。
顯然，如果沒有冷凝器，這件事就無法循環。
這就是熱量傳遞的不可逆性，或者說，熱量流動的不可逆性。
也就是熱量總是自發地從高溫熱源流向低溫熱源，這是克勞修斯表述的前半句。
但是，如果要逆向這個過程——熱量從低溫熱源流向高溫熱源，不借助於外界的能量——冷凝器這樣的冷機，則不可逆。
這就是克勞修斯表述的後半句——“在沒有任何變化的情況下，熱，不可能自發地從低溫物體傳到高溫物體。”
2.熱力學第二定律的開爾文表述
總的來說，卡諾和克勞修斯所提出的問題，主要基於能量守恆的理想化過程。
但是，科學到科技，不僅要理想化，更要解決實際問題。
在熱機的實際應用中，最大的問題就是能量損耗的問題。
英國物理學家開爾文很快就抓住了這個問題的重要意義。
讓我們先來看看一個非常著名的永動機2.0案例。
1881年，美國人約翰·嘎姆吉為美國海軍設計了零式發動機。
這個發動機被注入了溫度明顯低於海水的液體氨，它與海水相互作用，會吸收海水的熱量，液體氨會變成氨氣（氣體氨），氨氣膨脹做功，之後再變成液體氨。
只要保證吸收的熱量全部做功，這個循環就能持續永動。
但是，它一次都沒有成功過。
因為海水比液體氨溫度高，所以在沒有低溫熱源的情況下，氣體氨不可能通過對外做功重新液化，變成液體氨。
這件事就牽扯到了下面的內容。
幾乎與克勞修斯同時，英國物理學家開爾文於1851年提出了“熱力學第二定律的開爾文表述”：
——不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全轉化成功而不產生其它影響。
這個表述代表了，從實際應用出發，熱機的要求。
單一熱源——指溫度均勻並且恆定不變的熱源，如果不如此，那實際相當於有若干個熱源了。
吸取熱量——指工作物質可以從熱源中溫度較高的一部分吸熱而向熱源中溫度較低的另一部分放熱。
其他影響——指除了由單一熱源吸熱全部轉為功以外的其他任何（包括系統與環境）變化。
讓我們再來看看蒸汽機工作中實際發生了什麼。
它總是存在高溫和低溫兩個熱源，從高溫熱源吸熱後，一部分會用來做功，一部分則會放到低溫熱源。
這樣才能保證它的循環運轉。
所以，如果只有一個熱源，是不可能吸熱，完全用於做功。
再回顧一下卡諾所指出的：
第一，熱機的熱效率僅取決於兩個熱源的溫度差。
第二，空氣比水蒸汽更適合作為工作物質，因為它的冷卻速度比水蒸汽快。
由此他預言了以空氣為工作物質的熱機，以及將燃氣與空氣混合物壓縮打火的內燃機。
這些都被後世成功實現，併成為人類的主要熱機。
這裡大致講講汽油機、內燃機的原理。
它們燃燒汽油，產生很高的溫度，從高溫氣體中吸熱，一部分做功帶動機器，一部分釋放到周圍的空氣中，空氣就是低溫熱源。
如果空氣的溫度和內燃機裡面的溫度一樣，這個熱機就無法工作了。
還有一個叫溫差電動勢的現象更有助於我們理解開爾文表述。
比如：我們準備兩杯水，一杯1度，一杯100度，接著，將兩根不同的金屬絲兩端接到一起，然後兩端分別放入兩杯水中。
這時候金屬絲就會產生電流。
這就是溫差電動勢。
並且，隨著電流的不斷產生，熱水的溫度越來越低，冷水的溫度越來越高。
注意，同時發生了兩個變化：一個是產生電流，一個是兩杯水的溫度變化。
這個過程其實就是從熱水中吸熱，一部分放到冷水裡，一部分對外做功——電流。
當兩杯水的溫差等於0的時候，電流也就消失了，也就是不再對外做功了。
以上都在說明開爾文表述中的含義：
任何熱力學過程，系統在吸熱對外做功的同時，必然會產生這個熱轉化為功以外的其他影響，比如：兩杯水的溫度變化，當溫度差為0時，做功就停止了。
確實，我們只要找到兩種有溫差的東西，將它們連接就能對外做功，製造成一臺機器，比如：海水和冰山。
但是，冰山是有限的，冰山會融化，最終溫差消失後，這臺機器也就沒有功的驅動，無法永動了。
所以，我們再簡化開爾文表述就是——功、熱不等價，功轉化為熱的不可逆性。
3.為什麼都是熱力學第二定律的表述？
雖然，克勞修斯表述和開爾文表述描述的是兩類不同的現象，說法也很不相同。
但是，它們都強調了不可逆過程：
克勞修斯表述，實質說的是熱傳遞過程是不可逆的；
開爾文表述，實質說的是轉變為熱的過程是不可逆的。
其實，兩個人的表述是完全等價的。
也就是，如果違反一種表述的行為，必然導致違反另一種表述的行為。
也是，如果不等價，它們就不能並稱為熱力學第二定律的表述了。
這塊我們可以通過假設來驗證。
我們假設開爾文表述是不成立的。
比如：有一種機器，它可以從低溫熱源吸熱使之完全轉化為功，我們就可以利用這個功驅動類似冰箱的機器，把低溫熱源的熱量放到高溫熱源。
這樣，也就實現了克勞修斯表述中“在沒有任何變化的情況下，熱，不可能自發地從低溫物體傳到高溫物體。”
結果就是，兩個表述皆不成立。
大家可以再反過來假設克勞修斯表述不成立，看看開爾文表述是否還能成立。
4.熱力學第二定律的第三種表述
不管是克勞修斯表述，還是開爾文表述，它們都證明了永動機2.0是不可能成功的。
所以，也就有了熱力學第二定律的第三種表述——第二代（類）永動機是不可能實現的。
也正是各種不可逆過程中的內在聯繫，使得該定律應遠遠超過熱功轉換的範圍，成為整個自然科學中的一條基本規律。
在一切與熱有聯繫的現象中，自發地實現的過程都是不可逆的。
這是熱力學第二定律的實質。
而且，熱力學第二定律還代表著自然界的發展方向——總是從有序向無序發展。
三、思考實踐——空調違反熱力學第二定律嗎？
就像芒格所說，有人發明了一些新的科技使飛機變得更大一些，或者能夠靠兩個引擎而不是三個就能飛躍大洋或飛行更遠的距離，這些革命性變革確實在改善航空公司的績效。但只不過是一個在科技上非常先進的社會將要擁有的正常的科技進步。
相比而言，更讓人感興趣的是氣候的根本變化，空調的出現對於熱帶地區帶來了革命性的變化，空調極大地改變了世界，並且以一種非常有趣的方式改變了製造業的經濟特徵。
其實，相比空調，冰箱更具革命意義，因為空調就是某種類型的冰箱而已。
前面坤鵬論已經講了冰箱，現在讓我們學以致用，思考一下空調如何符合熱力學第二定律？
以夏季空調製冷為例，其中的要點是：製冷劑工質。
正是它在整個循環中的相態變化——液體和氣體間變化，實現了熱量從低溫處向高溫處的轉移。
相態，也叫物態，學名聚集態，是一般物質在一定的溫度和壓強條件下所處的相對穩定的狀態。
通常是指固態、液態和氣態。
物質的上述三種狀態是可以互相轉化的。
比如：水（液態），冷的時候會結成冰（固態），加熱到較高溫度時，會變成蒸汽（氣態）。
為了讓製冷劑相態變化，付出的代價就是空調裡電功的輸入。
這個過程恰恰印證了熱量不能自動從低溫向高溫傳遞。
不知，你有沒有這樣的感覺，認真地、系統地學習到這裡後，再看上面的空調工作原理圖完全不像以前那樣一摸黑了。
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