能量有可能用尽吗?
能量守恒定律明确指出,能量是不能被消灭的。这听起来好像是说, 总能有足够的能量供人类使用,去按人类的意愿完成应做的工作。因为定律中说能量在使用过程中并未被消灭,只不过是由某种形式转为另一种形式而已。假定我们想用一种新形式的能量,只要把原有的形式改变一下就可以了。这样,人类可以无止境地把能量转换下去。
遗憾的是,事实并非如此,从科学家的经验得知:能量每次做功, 只有一部分是有用的,其余的都变成了热。诚然,我们也可以使用热能去做功,但是仅仅在热量不是均衡地、缓慢地散开的时候才可利用。如果某地区较热,另一地区又较冷,利用这个温差做功时,也只是一部分热能用到做功过程里了,其余部分的热能以热的形式散发掉了,此次的散失比上一次更均衡。当热量完全散发后,人类就无法从那里再获得能量了。其结果是:不论在什么时候利用能量做功,最终将以剩余的能量再也没有能力去完成某项做功的任务而中止。总的来讲,能量不会被消灭,可是用于做功的自由能——能量中的一部分——却不断地减少。
现在用另一种方法认识“能”:除了热能之外,其他任何形式的能, 只要它的分布是不均匀的,它就能做功。所谓做功,不过是让能量分布得更均匀一些而已。科学家们用“熵”这个概念来描述能量分布的不均匀性(我们也可以用无序性描述它,分布越均衡的,无序性越大。“熵” 的值越大,我们从能量中得到的有用功越少)。用这个概念我们可以推断,宇宙正以缓慢的、但也是不可抗拒的规律进行能量的转换,但总有一天这种转换会停止下来。
我们所做的任何工作都会引起宇宙间的“熵”值增大,甚至是当人类没有什么事可做时,宇宙中的“熵”值仍在增大。这种永恒的、不可抗拒的现象和规律称为热力学的第二定律。
第一位揭示这条规律的人是法国物理学家尼克劳斯·L.S.卡诺, 他在 1824 年出了一本小册子,该书对利用热量不均衡分布时可以做功的可能性进行了分析。1850 年初,德国物理学家鲁道夫·J.E.克劳修斯对此问题做了进一步研究,并首次提出宇宙会中止转换的结论。
若用来做功的自由能总是在减少,而“熵”值又在不断地增加,那该怎么办呢?宇宙已经存在了亿万年,是不是已到停止转换能量的时刻了?回答是:宇宙的创建就是靠自由能提供的能量,这股能量的威力是无比巨大的,以至于过了亿万年,无情的岁月并没有给宇宙留下过多的痕迹。宇宙或许会中止能量的转换,但那还要经过无数个亿万年,现在担心它未免有点杞人忧天了。另外,与一个半世纪前克劳修斯对宇宙极限的了解程度相比,我们已经前进了很多。但人们的求知欲是无止境的, 有许多我们想了解的东西至今还是个谜。