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三、热力学第二定律的发现
 热力学第一定律是热学中的能量守恒定律。热力学第二定律是独立于热力学第一定律的另一条基本定律,它表明自然过程进行的方向性。热力学第二定律是在研究如何提高热机效率的推动下逐步被发现的,是汤姆孙和克劳修斯对卡诺热机理论加似改造,使之建立在焦耳的热功等效和热功转化学说的基础上提出来的。
 (一)卡诺的热机理论
热力学第二定律的起源要追溯到卡诺的热机理论。从19世纪起,蒸汽机在工业、交通运输中起到愈来愈重要的作用。但是,蒸汽机的效率是很低的,还不到5%,有95%以上的热量都没有得到利用。在生产需要的推动下,一大批科学家和工程师开始由理论上来研究热机的效率。
萨迪·卡诺(Sadi Carhot,1796—1832)是法国工程师。他目光敏锐,富有远见卓识。他在1824年发表的《关于热的动力的思考》的论文中这样写道:“研究这些蒸汽机是很有意义的,蒸汽机是极为重要的,其用途将不断扩大,而且看来注定要给文明世界带来一场伟大的革命”。[1]在这篇文章的一开始他就指出,与机器所产生的功相比,燃料的消耗太高了;阐明从热中获得动力的条件就能够确立利用热的原理,改进热机的效率。他提出了两个重要的问题:“一个是热机的效率与工作物质有无关系,一个是热机效率是不是有个限度。”

卡诺给自己提出的任务是“从足够普遍的观点”去研究,“由热得到运动的原理。”他说:“为了以最普遍的形式去研究由热得到运动的原理,必须不依赖于任何机械和任何特殊的工作物质,必须使所进行的讨论不仅限于只能应用于蒸汽机,而且还要建立起能应用于一切可以想象的热机的原理,不管他们用的是什么物质,也不管它们如何运转。”[3]卡诺在《关于热的动力的思考》中分析了蒸汽机的基本结构和工作过程,抓住了问题的本质,撇开了各种热机的具体结构及一切次要因素,提出了理想循环过程和卡诺定理。
当时热的运动说还未为人们广泛接受,卡诺也信奉热质说,他认为蒸汽机的工作过程总要伴随着热质的流动和重新分布,还认为蒸汽机和另一种水车是相似的。他说:
“我们可以恰当地把热的动力和一个瀑布的动力相比。……瀑布的动力依赖于它的高度和水量;热的动力依赖于所用的热质的量和我们可以称之为热质的下落高度,即交换热质的物体之间的温度差。”[3]
我们可以把这个类比看作卡诺在建立自己理论时的一个形象依据。这个类比使他得出如下的结论:正如水通过落差而带动水车作功并不改变水的总量一样,在蒸汽机的工作中,热质总量并没有损失。从高温加热器放出的热量和低温冷凝器所接收的热量是相等的。正如他在文中所说的:“在蒸汽机内,动力的产生不是由于热素的实际消耗,而是由热体传到冷体,也就是说重建了平衡。”[2]在这里,卡诺关于热只在机器中重新分配,热量并不消耗的观点是不正确的,他没有认识到热和功转化的内在的本质联系。
但是这个类比也使他得到一个有益的见解:蒸汽机必须工作于高温热源与低温热源之间。他说:“凡是有温度差的地方,就能够产生动力;反之,凡是能够消耗这个动力的地方就能够形成温度差,就可能破坏热质的平衡。”[2]卡诺认为热的动力是由热质在两个热源之间的下落而产生的,两个热源之间具有一定的温度差是热机产生机械功的关键因素。
 图3—1
在建立热机的一般原理时,卡诺提出了一个理想热机模型和一个理想循环过程。卡诺热机被设想为由汽