好不容易立了个秋，穿了两周长衣长裤，可惜不能持久，只好把本来已经收好的夏装又翻了出来。

打败你的不是天真，而是天真热呀。

## 能量守恒定律

现在我们来考察 能量守恒定律，它是物理学最基本的定律之一。

能量守恒定律支配着迄今为止我们所知道的一切自然现象，至少到目前为止，还没有发现什么例外。

它指出，在自然界所经历的种种变化之中，有一个被称为“能量”的物理量是始终不变的。

“能量”，是一个相当抽象的概念——就像时间、空间一样——我们并不能给它下一个很好的定义，不过我们可以——在不确定性原理所确定的边界内——精确地测量它。

对能量的测量，让我们发现了以下事实：

起先，我们测量一次能量，当大自然如魔术师般耍弄完各种令人眼花缭乱的表演后，我们再测量一次能量，可以发现这两次测量所得到的结果是完全相同的。

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失；它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个地方/系统转移到另一个地方/系统；在这个转化或者转移的过程前后，能量的总量保持不变。

## 动能与热能

将弹簧的一端固定，另一端拉满后松手，这个弹簧会来回振动，不过最终它会停下来。

弹簧来回振动，这个很好理解——势能与动能的相互转化。可既然我们说能量守恒，它又为什么不会一直振动下去，反而最终停下来，难道说能量守恒定律是错的吗？

并不是。在以上过程中，势能与动能的相互转化只是最容易发现的能量形式转化，但与之相伴的其实还有另外一种能量形式的产生——热能。（看世界不能只看表面）

我们上一期讲速度的时候说，发动机是实现将各种能量转化为动能的一种机器。

在它的工作过程中，源头能量除了转化为动能外，还不可避免地有一部分要转化为热能，其直观表现就是，发动机工作一段时间后会发热。因此，发动机又被称为是一种热机。

后来人们发现，这一不可避免的现象背后是热力学第二定律在“做怪”。

（热机之所以是热机，并非因为它在工作过程中会发热，这里只是开个玩笑）

发动机，发动机，动能才是有用滴。

热能的产生，是一种损耗，此处便引出了一个概念——热机的效率，用于度量有用能量的转化率。

比如，100份的源头能量，转化成了80份的动能，那我们就说发动机的效率是80%。

不过辩证地看，热损耗也并非一无是处——在寒风刺骨的冬天，我们可以抱着发动机取暖。

热能，是我们从宏观层面所感知到的一种能量形式；但其微观层面上其实是物体内部的分子无规则运动动能、分子间相互作用势能的总称，因此热能又被称为内能。（看世界不能只看宏观层面）

## 热力学及其第二定律

今天人类社会赖以生存的能量来源——煤、石油，向上追溯，都是太阳的施舍。

大自然毫不藏私，她让太阳释放了大量的能量，即使这些能量最终只有二十亿分之一到达了地球，也滋养了地球生命长达几十亿年的时间。（私者一时，公者千古）

虽然能量确实是守恒的（至少目前看是这样的），但在能量的转化或者转移过程中，最终可供我们人类利用的能量形式却并不那么容易保存，没有任何热机的效率能达到100%。

不过100%虽然非人力可为，但通过我们的努力，不断追求、接近它还是可以做到的。

对于进一步不断提升热机的效率的研究，催生了一门新科学——热力学。

高中物理课有一章内容是气体分子动理论。该理论认为，气体的压强，本质上是微观层面分子之间不断碰撞的宏观表现。

如果加热气体，分子内能就会更大，碰撞也就更频繁，压强也会更大；反过来，

如果压缩一定分子量/质量的气体体积，气体压强就会更大，碰撞也就更频繁，分子内能就会更大，气体温度也会更高。

关于以上两种可逆过程涉及到的定量关系，人们已经找出来了。

知道了定量关系后，就可以为我们人类所用了——利用内能做功的机器，统称为热机。上面我们说，发动机也是一种热机。

人类历史上第一种热机是蒸汽机。一台蒸汽机的典型工作方式是这样的：

用锅炉将一定量的水烧开，产生的蒸汽膨胀，进而能够推动活塞——作功。

显然，推动一次活塞是远远不够的，只有连续推动活塞，对我们人类才有意义。

那如何连续推动活塞呢？就得让上面的工作方式形成循环回路：

1. 最笨拙的方案便是让蒸汽直接排放到外界，再继续加一定量的水烧开，但这就需要源源不断地加水；

2. 而更好的方案则是回收蒸汽，将它导入到一个地方，在那里通过各种手段将其冷却凝结，然后再把这些凝结后的水抽回到锅炉中继续烧开。

不过，接下来，如果我们愿意深入，会发现更多的问题，比如：

不用水而用其他东西比如酒精，会不会使加热膨胀到冷却凝结这个过程更快？

用核能作为能源来烧开水，是不是比用煤或者石油更环保更可持续呢？

采用何种材料可以制造出一台全天候全地形超耐用的热机呢？

甚至，有没有可能，我们只需要在最开始的时候烧开一次水，以后就靠整个系统自动循环永远运行下去呢？

对以上种种问题的解答，推动了热力学及相关科学的发展，更推动了人类社会的进步——我们都将蒸汽机视为人类社会第一次工业革命的标志。

克服摩擦力作功的话，损耗的功就等于产生的热量。如果我们在恒定室温环境中极其缓慢地做功，这样室温的变化不会很大，甚至可以忽略，我们便将功转化为了热；那这个过程是不是也可以像上述分子动过程那样具备可逆性，在恒定室温下，尽管极其缓慢，假设我们也有足够的耐心等待，以最终将摩擦产生的热转化为功？

然而，第二定律却对我们说：不，不可以。第二定律不仅告诉我们，热损耗不可避免，它还告诉我们：不可能在恒定温度下获得热量，将它转化为功，而不引起系统或者周围环境任何变化。

因为到目前为止的实践中，我们总是发现：

要么温度可以恒定，但总会引起变化；

要么不引起变化，但温度无法恒定。

科学之所以是科学，除了它能经受实验检验外，还在于它具备可证伪性。

通俗地讲，可证伪性是说，科学并不说自己是终极真理、永远正确，科学是允许质疑的；在找到反例将其证伪之前，我们可以暂时地将其视为“终极真理”。

既然我们认为热力学是一门科学，那么我们也就只好承认热力学第二定律是不可违背的（至少到目前为止）。

## 写在最后

我们上面说，没有任何热机的效率能达到100%，而能量又是守恒的，因此，随着时间流逝，不能为人类所利用的能量会越来越多。

发动机的发明是为了推动我们向一个方向一直前进，而不是如分子那样四面八方胡乱碰撞。热机做功（努力）是为了让一个系统更加有序，这对人类更有意义。为了度量一个系统的“内在混乱程度”，“熵”这个概念应运而生。

通常，人们将热力学定律简化为如下表述：

第一定律：宇宙的总能量始终保持不变。

第二定律：宇宙的熵值始终不断增加。

热力学还有其他定律，有兴趣的小伙伴可以自行百度，本文不再详述。

第二定律揭示了一个事实：如果没有外部干预，事情总会越来越糟。

于是，有人选择躺平，但也有人选择继续努力。

世上只有一种英雄主义，就是在认清生活真相之后依然热爱它。