2016年1月4日

科學中的宗教—熱力學狂熱

作者/陳信文(威斯康辛大學博士,國立清華大學化學工程學系特聘教授、兼全球事務長。專長在材料相圖量測與計算)、林伯翰( 現為國立清華大學博士班研究生,主要研究方向為熱電材料及準晶材料之相圖建構)、楊子慶(清華大學碩士,專長在金屬材料之介面反應)

熱力學發展於19世紀中,其發展之推動力主要是來自於對蒸汽機之興趣。熱力學(thermodynamics)一詞,是由英國的湯姆生(William Thomson),於1854年首次提出。熱力學是多數理工科系之必修課程,熱力學第一與第二定律也不斷的出現在許多課程之中。熱力學的第一定律是「雖然能量有許多不同之形式,但是能量之總量是固定的;當某種形式的能量消失之時,另一種形式的能量必同時出現。」

熱力學第二定律的陳述方式較多,較著名的是以下二種。第一種是「沒有一項裝置可以在不改變系統與環境的條件下,只將系統所吸收的熱量完全轉換成系統所做的功」;第二種是「在所有狀況都不改變的條件下,只將熱從低溫移轉至高溫的程序是不存在的」。熱力學的討論主要是探討程序與系統之驅動力,但是並不討論阻力,因此也無法推知速率。

其實除了是重要之課程之外,關於熱力學的笑話也不少,以下是較著名的二則。第一則笑話是:不要和朋友討論「宗教」、「政治」與「熱力學」,因為此三者都是信仰。第二則笑話是:地獄各處應是等溫,因為若非等溫,則地獄中熟悉熱力學的專家,就會利用溫差創造冷卻之裝置,進而閃躲了煉獄之懲罰。稍有瞭解熱力學的人,對第一則笑話應是會心一笑,因為熱力學著名的二項定律,確實是並無推導證明之過程,而是在迄今無反例所得之結論。不過若是以「熱力學」對各不同理工學科相同之重要影響而言,將熱力學與宗教等量齊觀;說熱力學是科學中的宗教應屬為合理陳述。對於第二則笑話,則多數人應會不以為然。

熱力學定律說什麼?
第一定律的基本概念是能量守恆。在第一定律中,將存在物質中的能量,稱為「內能」,一般是以「U」來表示。依據「內能」,再定義著名的「焓(enthalpy)」,通常是以「H」來表示,而H=U+PV,此處之P 與V 分別為系統的壓力與體積。在能量守恆的觀念下,可以進一步推導出功能轉換的關係,這也是一般熱機(heat engine)之基礎。所謂熱機即是指吸收熱量以對外界做功的機器,蒸汽機就是傳統上討論之熱機對象。在動能與位能無改變的條件下,能量守恆就常以如下之數學式來敘述:ΔU = ΔQ+ΔW。ΔU是指內能之改變,ΔQ 是指傳進系統之熱量,ΔW是指對系統所做的功。......【更詳細的內容請見科學月刊第553期】

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