環保議題與熵(Entropy)

Clausius

現在處處講求節能減碳做環保,我對環保議題沒有研究,只能以物理觀點說上兩句。

1824 年法國人卡諾(Nicolas Léonard Sadi Carnot)提出卡諾循環(Carnot cycle),即使是理想熱機,它利用熱能轉化成機械能的效率也低於100%。德國人克勞修斯(Rudolph Clausius)和法國人凱爾文(Lord Kelvin)在熱力學第一定律建立以後重新檢視卡諾定理,他們發現卡諾定理的成立是依據一個新的定理,即熱力學第二定律。克勞修斯表述:不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。意思是說熱量不可能自發地從冷處傳到熱處,任何高溫物體在不受熱的情況下,都會逐漸冷卻。凱爾文表述:不可能從單一熱源吸取熱量,使之完全變為有用功而不產生其他影響。

熵(entropy)的概念是1865 年由克勞修斯所提出,熵是系統的狀態函數,但與達到此狀態的過程無關,整個系統的總熵只會增加或不變,絕不會減少。 以統計熱力學的觀點來看,熵的數值愈大,表示系統亂度愈大,因此熱力學第二定律亦表示:絕熱系統內自發性的變化必會朝向亂度增大的方向進行。

1851 年凱爾文以熱力學第二定律推論宇宙內的所有變化均一去不返,既然熵值只增不減,那麼熵值最低時即為一切變化的起源,亦即宇宙的起點。1854 年德國人 H. Von  Helmholtz 反向推論,由於熵值越來越大,最後宇宙將達到熱平衡,此時能作功的能量都已耗竭,於是所有變化停止,宇宙成為靜止的死亡狀態,他將之稱為『熱死』(heat death)。根據熱力學第二定律,宇宙必定有起始也有終結,這與一些宗教或是哲學的『無限』觀點完全相反。

熱力學第二定律明白告訴我們:我們賴以維生的世界由於能量的釋放與形式的轉換而維持著世界的生機,但同時也開始邁向混亂與死亡,這是物質不變的歷程,在無外力干涉的情況下,世界必定逐漸趨向亂度最大的死亡平衡狀態,因此人類必須致力於減緩熵值增加的趨勢,節省能源消耗、減少能量轉換、節制人為活動、保持環境生態,這正是西方乃至全球正提倡的簡樸運動之精義。

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