关于地球温度的疑惑

摘要：日常经验告诉我们，热量总是由高温物体向低温物体传递，自然过程因而有某种不可逆性，不平衡状态，可以自动地趋向平衡态，而平衡态不能自动地转化为非平衡态。但宇宙中也有能量的重新集结过程。

关健词：熵；热寂说；超新星

中图分类号：B082 文献标识码：A 文章编号：1006-3315(2008)06-106-01

如果一个人提出下面的疑问：“热量总是由高温物体向低温物体传递，那么很长时间以后地球会不会变成一个恒温的物体？”首先明确地告诉大家地球绝不会变成一个恒温的物体。为什么呢? 这要从一个叫做‘熵‘的概念说起。

一、熵是表示过程方向性的物理量

1854年克劳修斯从分析卡诺热机开始，假设热经历两种变换：一种是热从高温物体传到低温物体的传送；另一种是热转化为功的转化。克劳修斯指出，每种变换有两种方向：一种是自然方向，这种变换能自发地进行；另一种在非自然方向上，没有外界影响下不可能进行。对于传送变换来说，热由高温物体传到低温物体是它的自然方向；而由低温物体传到高温物体是它的非自然方向。克劳修斯假设对于任意变换的等效值正比于热量Q和某个温度函数，并令在一个可逆循环中，两个等效值的和为零。在这些条件下得出如下结论 ：如果物体从任意一个初态开始，连续地经过任意的一系列状态又回到初态时，总等于零，那么积分号里的表示式 dQ/T则是一个量的全微分，它只与物体当时状态有关，而与到达这个状态的途径无关。如果用S表示这个量，克劳修斯建议称量S为熵。

在1865年，克劳修斯还证明了孤立系统的熵不会减少。比如从高温物体(温度为T2)向低温物体(温度为T1) 传送热量⊿Ｑ， 而显然⊿Ｑ/T1>⊿Ｑ/T2，一个系统的熵总是沿着熵增加的方向进行，这就是熵增加原理。孤立系统里的每一种平衡必定对应于熵的极大值。熵增加原理揭示出自然过程的不可逆性。不平衡状态可以自动地趋向平衡态，而平衡态却不能自动地转化为非平衡态。

二、热寂说的起源

最早提出热寂说的物理学家是汤姆孙。他在一篇论文中写道：“热力学第二定律孕含着某种不可逆原理，这个原理表明虽然机械能不可灭，却会有一种普遍的耗散趋向，如果宇宙有限并服从现有的定律，那么结果将不可避免地出现宇宙静止和死亡状态。”“热寂说”是热力学第二定律的宇宙学推论，这一推论是否正确，引起了科学界和哲学界一百多年持续不断的争论。

首先对“热寂说”提出质疑的是麦克斯韦。他设计了一个假想的存在物--“麦克斯韦妖”，麦克斯韦妖有极高的智能。“在一个温度均匀的充满空气的容器里的分子，其运动速度不均匀，然而任意选取的任何大量分子的平均速度是均匀的。我们假定把这样一个容器分为两部分，A和B，在分界上有一个小孔，再设想一个能见到单个分子的存在物，打开或关闭那个小孔，使得只有快分子从A跑向B，而慢分子从B跑向A。这样，它就在不消耗功的情况下，B的温度提高，A的温度降低，而与热力学第二定律发生了矛盾”。麦克斯韦由此提出应当对热力学第二定律的应用范围加以限制。

三、对热寂说的解释

克劳修斯指出熵增加原理适用于一个孤立的绝热系统，而熵只包含了“热含量”和热离散度，并未考虑当时已知的热辐射和由“以太”传播的热量等，不能把以地球上的实验为根据建立的原理推广到整个宇宙，散射到太空中的热能有重新集结的可能。在万有引力作用下，当恒星物质向中心激烈坍缩时，释放出的引力势能可以达到使整个恒星爆炸开来，这种现象称为超新星爆炸。距今最近的一次是1987年在南天区大麦哲仑星云处观测到的一次超新星爆炸。2月23—24日的24小时内，超新星增亮了2000倍，一跃成为大麦哲仑星云中最亮的天体。

由此看来，在宇宙中不仅有能量的分散过程，也有能量的重新集结过程。热寂说是以宇宙整体正在从非平衡趋于平衡的结论为前提的。然而近代宇宙论的观测和研究表明，宇宙正在膨胀，它不是趋于平衡，而是越来越趋于不平衡。热力学第二定律在此条件下不成立，当然由此导出的热寂说也不成立，这样地球也永远不会变成一个恒温的物体。

参考文献：

[1]申先甲等编著，《物理学史简编》，济南，山东教育出版社，1985

[2][美]威·弗·马吉编，蔡宾牟译，《物理学原著选读》，北京商务印书馆，1986

[3]恩格斯著，曹葆华、于光远、谢宁等译，《自然辩证法》，人民出版社，1960