我們通過熱力學第一定律了解了能量和能量守恒定律；熱力學第三定律又告訴我們溫度的本質(zhì)是分子永不停息的運動，并且熱力學溫度永遠不可能為零；我們今天像牛頓第二定律一樣，探索熱力學的動力學方程。所謂動力學方程就是運動和力之間的關(guān)系。對于熱力學，運動就是溫度的變化，力就是能量。

能量和溫度之間有什么關(guān)系呢？我們先來再次認識一下能量和溫度。能量是運動形式轉(zhuǎn)換的量度，例如一個物體的降落，它的運動速度會越來越大，換言之，重力勢能轉(zhuǎn)換成了動能。溫度就是分子永不停息的運動，也就是說，所有分子的運動狀態(tài)如果改變，那么溫度也會改變。分子的運動狀態(tài)改變，溫度也會隨之改變，而運動狀態(tài)的改變就是能量。現(xiàn)在你會感覺能量與溫度這二者之間一定有某種必然的關(guān)系吧。

科學知識和科學知識的應用息息相關(guān)，每一次科學知識的進步都會帶來技術(shù)的進步。自牛頓完成了人類歷史上第一次科學知識大綜合，關(guān)于科學知識的應用就隨之而來，這就是第一次工業(yè)革命。第一次工業(yè)革命的核心就是蒸汽機的發(fā)明和使用，一種將蒸汽轉(zhuǎn)換成推力的裝置。第二次工業(yè)革命的核心是內(nèi)燃機和電的廣泛使用，前者是熱力學知識的應用，后者是電動力學知識的應用。

科學很重要的一點是解決人們生活生產(chǎn)中的問題，反過來每一次問題的解決也帶來科學的進步。當時人們面臨的一個問題是：雖然內(nèi)燃機極大地提高了人類的生產(chǎn)能力，但是內(nèi)燃機的工作效率一直不高，也就是說，內(nèi)燃機只能把一部分熱量轉(zhuǎn)換成功，很大部分其實白白浪費掉了。如何提高內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)換效率成為科學家研究的課題。法國工程師卡諾經(jīng)過研究得出了一個結(jié)論，這就是卡諾定理。

卡諾定理：

⑴在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切可逆熱機，其效率都相等，與工作物質(zhì)無關(guān)，與可逆循環(huán)的種類也無關(guān)。

⑵在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切不可逆熱機，其效率都小于可逆熱機的效率。

卡諾定理是卡諾通過巧妙設(shè)計了一個理想可逆的卡諾循環(huán)推理出來的，所以叫做定理而不是定律。定理和定律很多情況下是等價的，但是它們有一個區(qū)別：定理是數(shù)學推理上得出的結(jié)論，定律是物理實驗上得出的結(jié)論。卡諾定理到底告訴了我們啥？（1）熱機最大效率只和其高溫熱源與低溫熱源的溫度有關(guān)，與過程無關(guān)；（2）所有不可逆的熱機，其效率都小于理想狀態(tài)的可逆機。

德國物理學家克羅修斯和英國的開爾文仔細研究了卡諾定理后，意識到卡諾定理背后應該還有一個新的定理，這就是熱力學第二定律。熱力學第二定律有不同的表述方式，我們先來看看熱力學第二定律的兩種最經(jīng)典的表述：

克勞修斯表述：不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。

開爾文表述：不可能制成一種循環(huán)動作的熱機，從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?/span>

開爾文表述還可以表述成:第二類永動機不可能實現(xiàn)。

克羅修斯和開爾文發(fā)現(xiàn)了卡諾定理背后的信息，并且得出了各自的結(jié)論。其實這兩種表述是完全等價的，換句話說，這兩種表述說的是同一個道理。熱量可以自發(fā)地從較熱的物體傳遞到較冷的物體，但不可能自發(fā)地從較冷的物體傳遞到較熱的物體；可以把做功轉(zhuǎn)變成熱，但是不可以把熱重新變成功而不產(chǎn)生其他影響。

開爾文的表述更是直接指出了第二類永動機的不可能性。所謂第二類永動機，是指某些人提出的例如制造一種從海水吸取熱量，利用這些熱量做功的機器。這種想法，并不違背能量守恒定律，因為它消耗海水的內(nèi)能。大海是如此廣闊，整個海水的溫度只要降低一點點，釋放出的熱量就是天文數(shù)字，對于人類來說，海水是取之不盡、用之不竭的能量源泉，因此這類設(shè)想中的機器被稱為第二類永動機。

熱力學第二定律本質(zhì)上在說：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的過程都是不可逆的。熱力學第二定律對于擴散、滲透、混合、燃燒、電熱和磁滯等熱力過程都是適用的。

發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象具有方向性這是科學史上影響深遠和意義重大的一件事。到目前為止，關(guān)于世界我們都知道了什么？牛頓第一定律告訴我們一切物體都有慣性（惰性）。熱力學第一定律告訴我們所有的物體在永不停息地運動著，并且運動不可被消滅，只能從一種運動轉(zhuǎn)換成另一種運動?，F(xiàn)在熱力學第二定律告訴我們，運動是有方向性的，而且這個方向性不可逆。

接下來我們要從微觀粒子角度來認識熱力學第二定律。我們知道一切物體都是由原子構(gòu)成的，物體的宏觀表現(xiàn)是由許許多多的微觀粒子累計的效果。由此我們知道了所謂的溫度就是所有分子的平均動能。那熱力學第二定律是怎么回事？瑞士物理學家玻爾茲曼給我們做出了答案，這就是熵增原理。

熵增原理：在自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總混亂度（即“熵”）不會減小。

這是一個根本的規(guī)律，所以它是原理。熵是什么？熵就是混亂度或者無序性。在具體的數(shù)學表達上，熵被定義為熱量和溫度的比值：S=Q/T。在自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的熵在不斷增加。換句話說，一切事物都在變得越來越混亂，一切事物都在變得越來越糟糕，任何事物最終都將走向毀滅。

在微觀世界，所謂的熱力學方向性就是大量粒子有規(guī)則運動傾向于向無規(guī)則運動轉(zhuǎn)變，無序性增加。作功是大量分子的有規(guī)則運動，而熱運動則是大量分子的無規(guī)則運動。顯然無規(guī)則運動要變?yōu)橛幸?guī)則運動的幾率極小，而有規(guī)則的運動變成無規(guī)則運動的幾率大。一個不受外界影響的孤立系統(tǒng)，其內(nèi)部自發(fā)的過程總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進行，由此玻爾茲曼建立了一個數(shù)學公式——玻爾茲曼熵公式。

玻爾茲曼熵公式具體形式是：S=klnΩ。s表示系統(tǒng)的熵，k為玻爾茲曼常量，Ω是可能的微觀狀態(tài)數(shù)。這個公式把能量、溫度、和微觀狀態(tài)數(shù)聯(lián)系了起來，深刻揭示了事物的本質(zhì)規(guī)律。玻爾茲曼熵公式和牛頓第二定律有異曲同工之妙。在牛頓第二定律那里，我希望大家能記住一個公式：F=ma。在熱力學第二定律這里，我也希望大家可以記住一個公式，就是玻爾茲曼熵公式。

關(guān)于熵，它帶給我們太多新的知識和疑問，大家感興趣的可以自己去找資料閱讀。例如負熵，香農(nóng)的信息熵，耗散結(jié)構(gòu)等等，這些都是熵帶給我們知識上的拓展。熵也確實把能量和信息聯(lián)系了起來。當然，人們對于熵和熵增原理有很多疑問，例如麥克斯韋就提出了麥克斯韋妖的概念，熱量不是只能自發(fā)從較熱的物體傳到較冷的物體嘛，會不會有一種機制可以讓熱量從較低物體傳到較熱物體？

最后想說一點我關(guān)于能量和時間的思考。在物理上，能量和時間是緊密相關(guān)的。所謂的能量守恒定律，也就是說，物理規(guī)律在時間上是可逆的。一種運動形式變成另一種形式，這就是能量，這也是時間，因為時間也是事物發(fā)展順序的量度。熱力學第二定律限定了運動轉(zhuǎn)變的方向，某種程度上也在說，時間是不可逆的。所以有人說，世界上只有一種時間，那就是熱力學時間。