欢迎来到今天的《云里·悟理》课堂，我是中科院物理所研究员叶方富，今天我给大家讲热力学第二定律。在之前的热学课里，杨义峰老师已经给大家介绍了温度和热这两个非常重要的概念以及热力学第一定律。我们从中知道了，热的本质是什么。但是整个热力学框架里，还缺非常重要的一块，也就是热力学过程的一个方向性问题。热力学第二定律，正是这么一个描述方向性的规律。
在正式介绍热力学第二定律的表述前，我们先看一下相关的背景。我们知道从18世纪60年代到19世纪中期，第一次工业革命轰轰烈烈地开展中。它开创了一个以机器来替代手工劳动的时代，是我们整个人类史发展的一次大飞跃。工业革命是以蒸汽机的广泛使用为标志的。这里我给大家看一下，这是一个蒸汽机模型，里面水烧开后，会产生蒸汽，然后蒸汽就会推动上面的轮子转动。当然这个模型是非常粗糙的。
在18、19世纪工业革命时候，得到广泛应用的是瓦特发明的蒸汽机。这个是瓦特当时制作的一个蒸汽机的模型。在蒸汽机得到广泛应用之后，当时大家会有一个非常重要的问题——怎么提高蒸汽机的效率。因为我们知道，当时在欧洲各个国家，工业上有各种各样的竞争，所以谁能开发出具有最高效率的蒸汽机，在整个竞争中，就会有非常大的优势。
这个问题当时是在一个纯粹的工业背景上提出来的。给出这个问题的解答的是卡诺。他提出，我们现在叫卡诺热机，把整个蒸汽机工作的过程分解成四个过程：有两个等温过程、两个绝热过程。热机有两个热源，一个是高温热源，一个低温热源。热机在高温热源的时候，它的第一个过程，就是从高温热源吸热，然后蒸汽保持等温膨胀的过程。在等温过程结束之后，然后紧接着热机离开了热源，它经历的是绝热膨胀过程。
卡诺当时提出来，如果这四个过程都是可逆的话，这么一个抽象出来的蒸汽机，我们叫卡诺热机，它的效率是最高的，而且效率跟蒸汽机里面用的工作介质是没有关系的。它的整个效率，只和高温热源、低温热源的温度有关。但是就像我们刚才说的，很遗憾的是，卡诺他很年轻就去世了。那时候整个热力学第一定律，还没有得到很好的发展。
后来我们知道，焦耳等人发现热实际上不能按照热质说来解释，它实际上是一种能量的概念。
热实际上是微观体系里的构成物质的分子的动能，包括势能的总和的体现。后来另外一个伟大的科学家克劳修斯也看到了卡诺相关的论述，他结合了后来发展出来的热力学第一定律，回头重新看卡诺定理的时候，发现要卡诺定理成立，这时候需要新补充一个定律，这就是现在被我们称为热力学第二定律的一个表述——热量从低温物体向高温物体传递而不引起其他任何影响是不可能的。
从表面上看这个结论感觉是一个比较显而易见的事情——热量只能从高温往低温传，就像水，只能从高处往低处流。热力学第二定律不仅仅说热从低温到高温的物体的传递，很重要的一部分，大家看后面有一个界定，要不引起其它任何影响，一定要包括这一部分。
现在看我们身边的例子，热从低温到高温转移的例子是存在的。最简单说，现在夏天到了，如果开了空调，我们可以把房间里的热量，通过空调传递给外面的空间。夏天外面的气温一般都是三十几度，当然我们空调的房间的设定都是二十几度。这时候，我们通过空调实现了把热从低温往高温传递这么一个过程。但是这里面，它会涉及到空调的介入，要耗电，对整个体系是有影响的，而不是没影响的。
所以热力学第二定律的克劳修斯表述，他说的是一定要不引起任何其他影响的这种过程是不可能的。但是这里还有一层意思，热如果只是从高温往低温移动，不引起其他任何影响的过程是可能的，但是反过来是不可能的。这里面有很深刻的物理内涵。从物理学上来说，我们破坏了高温跟低温这两端的对称性。
然后开尔文，前面杨老师介绍过，他也是整个热力学领域里一个奠基性的人物。他同样去看了卡诺定理的表述，然后他提出来另外一个概念，跟克劳修斯的说法，稍不一样的表述——不可能存在一种热机，从单一热源吸收热量全部转化为功，而不引起任何其他影响。
如果我们回到刚才说的卡诺热机的效率问题，卡诺热机效率取决于高温热源跟低温热源的温度，跟工作介质无关。从单一的高温热源吸热然后转变为功，那就意味着这个热机的效率是百分之百。所以实际上开尔文的表述也就是说效率为百分之百的热机是不存在的。
我们前面已经听杨老师介绍过，功跟热是可以互相转换的，但是它不完全对称。我们通过做功，比如说摩擦做功，功是能非常好地转化为热，但是反过来不行，热不能百分之百地转化为功。
我们甚至可以进一步推广，实际上热力学第二定律，除了这两种描述以外，更深刻更广泛地说，它说的就是，自然界里一切涉及热现象的宏观过程，都是不可逆的。这里面出现了一个新的概念，什么叫做可逆。实际上我们在讲可逆之前，又涉及到，另外一个概念叫做平衡态。平衡态就是说把一个体系放在那放很久，它不发生任何变化，从宏观上来说，至少是我们看不到任何变化，那就是说我们这个体系处于平衡态。
然后我们要定义可逆过程，一个过程，它跟平衡态是矛盾的，平衡态我们说的是不变化，一直不变，但过程是要说，从一个态变化到另一个态。
熵在这里实际上定义就是在某一个微小的过程中，假设温度不变，在一个恒温下，它从外界有一个吸收的热量，或者说放出的热量，而熵就是热量的变化对温度的一个比值。熵也叫entropy，entropy是来源于希腊语。中文的熵，我们可以看到它是一个火字旁，表示它是跟热相关的，后来“商”代表的，是热量的变化跟温度的比值，所以我们中文熵这个字用得很好。
引入熵之后，假设我们考虑的是一个闭合孤立的体系。那我们就可以发现，孤立的系统的一个实际过程，熵都在增加的。在这个阶段，我们说系统熵一直在增加，等于只是说，过程不可逆的。我们热力学里，熵它实际上是第二位的，就是说，温度是第一位的，它是可测量的，熵这里还没有，自己独立的定义。
熵与微观过程，到了玻尔兹曼那儿联系了起来。
我们再去看热力学第二定律，看热力学第一定律，然后把它结合起来，通过对比，我们就能发现，熵这时候会得到一个独立的含义。熵这时候就代表了整个体系里面包含的状态数。所以这时候熵增就是说，可能有的微观状态在变多，也就是系统从一个更有序，变成了一个更无序的状态。我们如果把整个宇宙，看做一个孤立体系，整个宇宙里的过程，也是对应一个熵增的过程，所以这也是为什么，有时候我们把熵的增加，叫做时间箭头的原因。
好，今天就讲到这儿，谢谢！