為什麼孤立系統的熵不會減小?熱力學溫标與理想氣體溫标是一緻的嗎?能借助熱力學第二定律推導理想氣體狀态方程嗎?7月17日，《張朝陽的物理課》線下第七課開講，搜狐創始人、董事局主席兼CEO張朝陽從溫度定義的起源延伸到熱力學第一定律，再從熱能利用率的極限引入熱力學第二定律，然後定義出熱力學溫标以及作為狀态函數的熵，最後借助熱力學第二定律以及理想氣體的壓強與内能關系推導出理想氣體狀态方程，從而證明了熱力學溫标與理想氣體溫标的一緻性。

熱的平衡、轉移與做功 溫度的定義與能量守恒

本次線下課一開始，張朝陽先介紹了熱力學第零定律，本質上是熱平衡關系的傳遞性。假設系統A與系統C達到了熱平衡，系統B也與系統C達到了熱平衡，那麼有系統A與系統B也滿足熱平衡關系，這就是熱力學第零定律。既然系統之間可以存在熱平衡，那麼必然存在用來描述熱平衡的參數，物理上把這個參數稱為溫度。根據理想氣體的經驗定律，可以定義溫标使得理想氣體的狀态方程為PV=NkT，其中k是玻爾茲曼常數，T是理想氣體溫标下的溫度。

介紹完熱力學第零定律與理想氣體溫标後，張朝陽對熱力學第一定律進行解釋。熱力學第一定律本質上是一個能量守恒定律。熱量本質上是一種能量，熱力學第一定律指的是系統内能的增量等于傳入系統的熱量減去系統對外做的功，這表示能量是守恒的。

熱力學第二定律 開氏與克氏表述

熱力學第一定律表明了能量守恒定律的普适性，那麼能否把環境中的熱量轉化成我們需要的能量形式呢?如果可以，那麼人類将獲得源源不斷的能源，而且不違反熱力學第一定律。然而，把熱量轉化成有用的功是有極限的，這也就是熱力學第二定律的内容。

張朝陽介紹說，熱力學第二定律存在很多種表述，其中比較著名的有克勞修斯表述和開爾文表述。克勞修斯表述是，“不能把熱量從低溫物體轉移到高溫物體而不産生其他影響”;而開爾文表述是，“不能從單一熱源吸熱使這些熱量變成有用功而不産生别的影響”。

假如有兩個熱源，一個是高溫熱源，另一個是低溫熱源。熱機從高溫熱源吸熱，然後轉化成能量，并釋放一部分熱量到低溫熱源。這個熱機的效率是存在上限的。借助可逆熱機以及熱力學第二定律的開爾文表述，可以證明可逆熱機的效率是最大的。

兩種溫标的等價性 可逆熱機效率、理想氣體熵增

工作于兩個熱源之間的可逆熱機的效率隻與熱源的溫度有關，而與可逆熱機的内部原理無關。根據這個性質，張朝陽證明了存在一個熱力學溫标，使得工作在溫度為T1的高溫熱源與溫度為T2的低溫熱源之間的可逆熱機，其效率為1-T2/T1。借助可逆熱機，熱力學溫标隻能确定到相差一個常數的程度。

接着通過用一系列無窮小的卡諾循環逼近任意一個可逆循環過程，可以證明，對于連接狀态A與狀态B的任意路徑，dQ/T的積分都是固定值。根據這一點，引入了狀态函數S，也就是人們常說的熵。熵的改變量等于dQ/T的積分隻對可逆過程适用，對于不可逆過程是不适用的。不過，由于熵是狀态函數，可以借助可逆過程連接特定的兩個狀态來求出不可逆過程導緻的熵的改變量。

以理想氣體自由膨脹為例，可用等溫膨脹過程來連接自由膨脹的初末狀态，從而計算出了理想氣體自由膨脹的熵增量。得到了這個熵增量之後，分析狀态數與熵的關系，通過狀态數的改變可以得到同樣的熵增公式。

随後，張朝陽開始證明熱力學溫标與理想氣體溫标的等價性。他先闡述了理想氣體的性質，一是理想氣體的内能隻與溫度有關，二是由理想氣體分子動理論導出的壓強正比于分子平均動能公式。根據這兩個關系，借助熱力學溫标與熱力學第二定律，可推導得到了理想氣體狀态方程，從而證明了熱力學溫标與理想氣體溫标的等價性。

“溫室效應”原理與影響 “碳手印”助力千行百業節能減排

最後，張朝陽介紹了一下溫室效應的原理。太陽光近似是溫度為5800開爾文的黑體所輻射出來的光，其中作為主體的可見光部分能夠輕易穿透大氣層。太陽光到達地面後有一部分會被反射出去，剩餘的則會被地球吸收。地球表面溫度大約是20-50攝氏度，因此地球也會向外輻射，隻是輻射的波長很長，這些輻射對大氣中的二氧化碳等溫室氣體來說不是透明的，從而會導緻地球無法有效地散熱，這就是溫室效應。溫室效應可以保證地球晝夜溫差不會太大，但是如果溫室氣體過多，就會使得地球無法有效散熱，從而造成地球氣溫過高。

近幾年，可以明顯感受到由于氣溫過高而導緻的生态平衡問題，溫室氣體的大量排放已經亟待解決。華為運營商BG CMO宋曉迪博士在《物理課》現場表示，ICT行業不斷追求更快的網絡通信速度、更大的信息交互帶寬、更少的溫室氣體排放，這恰恰是物理學基本原理在信息通訊行業中的體現。華為持續努力提升通信網絡設備在運行使用中的能效，減少碳排放。

持續不斷地追求“更多的比特，更少的瓦特”，這是實現ICT行業綠色發展最有效的途徑之一。而且根據聯合國環境署的觀點，現有ICT基礎設施的能效提升，可以支撐ICT行業未來減少約40%的碳排放總量。

宋曉迪同時表示：根據環保行業組織GeSI最新研究顯示，ICT技術可以幫助其他行業大幅減少碳排放量。預計在2030年，ICT技術可以幫助全球降低20%的二氧化碳排放，是ICT自身碳排放量的10倍。這一使能效應已經在鋼鐵、水泥、農業、航空等行業出現。

宋曉迪最後強調，在ICT行業“碳手印”的使能作用下，我們相信綠色與發展将不再是矛盾，“綠色”将為發展帶來新的機遇，發展又将為我們點亮更為“綠色”的未來。

來源：中國青年網

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