热力学第二定律的发展史与哲学内涵

摘    要：　本文基于热力学第二定律的物理意义及其发展历程,从中国古代“道法自然”、人类社会可持续发展理念、哲学中的自然观、开放观的角度出发,分别阐述了蕴含其中的哲学思想,主要说明了事物的发展要遵循自然规律、人与社会要和谐共处的理念、国家要坚持对外开放的战略。

　　关键词：　热力学; 热力学第二定律; 哲学思想;

　　热力学第二定律是继热力学第一定律发现后又一个非常重要的物理学定理,热力学第一定律是一个能量守恒以及能量转化的定律,说明自然界的热力学过程必须要满足能量守恒,反映的是能量转化和守恒定律在热现象过程中具体的数量关系。热力学第二定律则反映了自然界中过程进行的方向和条件的一个规律,指出自然界中出现的过程是有方向性的,某些方向的过程可以实现,而另一方向的过程则不能实现,即不可逆[1]。热力学第二定律作为一个重要的自然定律,应用范围非常广泛,并且蕴含着丰富的哲学思想。本文拟从热力学第二定律的物理意义出发,以其发展历史为基础,对热力学第二定律所蕴含的哲学思想进行探讨。

　　一、热力学第二定律的物理意义

　　1.热力学第二定律的定义表述

　　第一,Clausius的表述,其认为不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他任何变化;第二,Kelvin的表述,其认为不可能从单一热源取出热使之完全变为功而不发生任何其他变化[2]。

　　2.热力学第二定律的物理意义

　　热力学第二定律主要是阐述了宏观热现象的不可逆性质,这种不可逆的性质实际上体现了一种必然性。对于一个不受外界影响的孤立系统,在这个系统内部,一切热力学现象都是从高度有序、几率较小的状态向比较无序、几率较大的状态进行扩展,也就是说孤立系统中进行的一切实际过程总是由混乱程度较小的有序状态向混乱程度较大的无序状态进行[3]。同时热力学第二定律也告诉我们对于一种能量从一种状态转换到另一种状态的情况下,会损失某种“有效的”的能量,这就是所谓的熵,在一般情况下,熵基本上不会发生变化,但是当处于不可逆反应之中,热量系统内部出现了不断的变化。热力学第二定律主要为我们描述出了混杂程度大的热量活动,其也从根本上否定了永动机理论,揭示了在一定的时间以及空间范围内所包含的物理学以及化学反应过程。

　　二、热力学第二定律的发展历史

　　恩格斯曾说:“科学的发生和发展一开始就是由生产决定的。”同样,热力学第二定律也经历了这样的一个过程,热力学第二定律是在人类不断的生产实践、改造自然的过程中一步步建立起来的。

　　在热力学第二定律建立的过程中,唯物辩证法的哲学思想已经被西方世界哲学家所提出,热力学第二定律在建立的过程中也受到了这种哲学思想的影响,这种思想认为对立的统一是有条件的、暂时的、相对的[4]。与此同时,Clausius和Kelvin也受到了唯物辩证法的哲学思想的影响,从另一个角度意识到了自然界局域过程变化的相对局限性,对热力学不可逆的过程进行了研究与分析。
 

　　目前已经有许多的学者对热力学第二定律进行了详细的研究,并进行了广泛而严谨的推导及验证。而最早的研究是在19世纪的初期,当时提出热力学第二定律时,人们的理解并不深刻,也存在着较多的误区,很多的认识都不到位。在这一背景下,许多相关领域的学者进行了详细的验证以及深入的研究,促进了热力学第二定律的完善和发展。1824年,法国的一名高级陆军工程师卡诺在其发表的论文《论火的动力》中提出了热机效率的概念,由此产生了“卡诺定理”,当时的卡诺在研究过程当中主要是基于“热质说”理论进行推导分析的,但是这一理论存在着较大的缺陷。在1480年至1847年期间,迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人对热力学机理进行研究之后,在此基础上建立了热力学第二定律,后期开尔文将“热动说”作为研究基础从另外一个角度重新对热力学第二定律进行了分析以及描述,并经过多次修改之后,提出了使用在现行教材中的热力学第二定律,这个定律的定义也被人们广泛接受。

　　三、热力学第二定律蕴含的哲学思想

　　1.中国古代“道法自然”哲学思想在热力学第二定律中的体现

　　老子在《道德经》中提出了“人法地、地法天、天法道、道法自然”的哲学思想,用融会贯通的手法将人、地、天和整个宇宙的生命规律精辟地阐述出来[5]。老子的这种“道法自然”的哲学思想认为万事万物都要遵循自然的规律,并且这种规律是不可逆转的。“道法自然”表达的含义是“道”效仿自然,或者说“道”本身是自然,其中“道”是万事万物内在的根据,是一切事物所固有的内在规律,“道”就是遵循自然,依照自身存在的规律去运行和发展,集中体现了一种自发的精神,自然是“道”及万物的根本精神所在,自然是“道”的本性,也是人及万物效仿的行为准则。

　　热力学第二定律是人类社会以及自然界中一个普遍适用的规律,主要体现的是不可逆性质,启示我们要尊重自然、顺应自然、不可以违背自然规律。它的相关原理正是人类生命系统运行规律的折射,如人类对于自然界中昼夜交替的现象非常的敏感,人类也有属于自己的生物钟,这就使得人类需要遵循自然界的一些规律,并且这些规律的理解与热力学第二定律相互吻合,由此我们更加能够理解那些为了工作而牺牲自己休息时间的人们,他们以生命和健康为代价促进了整个社会的和谐发展。

　　人类要协调好工作与休息之间的关系,不能为了工作而牺牲休息的时间,因为这在一定程度上违背了热力学第二定律,也不符合老子所说的“道法自然”的哲学内涵。立于人类健康意义的角度,人类如果一直不注意休息的话,会导致人体的各项机能处于超负荷状态,如果一直保持着这样的状态,会导致人体的各项机能下降,甚至可能处于停滞状态。而对人体健康的影响,主要反映为产生疾病,甚至可能会威胁到人类的寿命及安全,这也启迪人们在学习以及工作的同时,一定要保证良好的睡眠,得到充足的休息,符合人体能运行的规律。

　　此外,老子“道法自然”的哲学思想,对于人们心理保健也具有一定的指导意义,根据道法自然的原则,老子主张“无为”与“不争”,这些都可以站在顺应自然的角度上来进行分析,主要可以理解为人们按照自然客观规律去处理事情,不可以完全依赖个人意愿进行作为,个人的心理行为也要与自身的年龄相符合,防止个体产生心理冲突,如果心理矛盾无法得到解决,最终可能会产生心理疾病。在这个信息发达的社会里,人际交往显得无比重要,良好的人际关系可以给人带来愉悦,促进人们身心健康的发展;相反,不良的人际关系会使人产生压抑及紧张的心理,最终使人们身心受到损伤,老子“道法自然”提倡的“不争”原则指导人们在处理人际关系过程中,要保持兼收并蓄的态度,顺应自然,不强人所难,这样才能拥有良好的健康心理,进而更好地实现人生价值。

　　2.人类社会的可持续发展理念在热力学第二定律中的体现

　　1987年联合国世界环境与发展委员会在其《我们共同的未来》(OurCommonFuture)这份报告中第一次明确了可持续发展的定义:“可持续发展是既满足当代人的需求,又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展”[6]。它的基本要求是人需要与自然和谐共处,要意识到当代人对于后代人所承担的责任,并提升自身的道德水平。

　　热力学第二定律同样蕴含了人类社会的可持续发展理念的哲学思想,热力学第二定律解释了事物运动转化的不可逆性,有利于人类客观地认识物质运动的方向和后果,而这也解释了人类可持续发展观背后的物质运动规律和价值。自然规律是物质运动固有的、本质的、稳定的联系,各类规律互不干扰,其不以人的意志为转移,人类作为自然的一个组成部分,本应该根据自然界的发展规律融入到自然的变化当中,同自然界的其他生物之间和谐共处。但是在近些年来,随着人类社会超理性的发展,使自然环境的承载能力遇到了极大的挑战,最终对我们赖以生存的自然环境造成了难以挽回的损失。目前人类活动已经逐渐成为影响地球生态环境变化最主要的因素,首先体现在人类活动对全球气候环境的影响,全球的气候变化与人类活动息息相关,随着人类工业文明的兴起,人类的活动规模越来越大,工业系统向大气环境中释放的温室气体越来越多,最终造成了温室效应的产生,造成了一系列的全球性问题。最突出的是全球变暖,直接导致了地面环境的温度升高,南北两极的冰川逐渐融化,从而使海平面逐渐上升,同时温室气体增多还引起了森林火灾,使得一些珍稀动物灭绝,给自然环境以及人类社会造成了无法挽回的损失。此外,人类对环境的破坏还导致了森林和草原植被的退化甚至消亡、水土流失、污染的加剧、臭氧层的破坏以及生物多样性的减退等问题,面对日益严峻的环境形势,人类终于意识到任何以牺牲环境为代价的发展都是不值得的,这一切无不给人类敲响了警钟。人类必须要学会善待自然,合理控制自己的行为及活动,从而达到与自然和谐共处的目标。

　　人类有权利也有义务去改造自然,通过改造自然资源的形式去满足人类自身的需求,但是在此过程中必须要以保持自然的稳定性为前提,人类只有善待自然,才能更好地利用自然。

　　3.哲学中的自然观在热力学第二定律中的体现

　　自然观蕴含着丰富的唯物主义思想,认为对立的统一是有条件的、暂时的、相对的,科学领域的自然观与哲学之间具有天然的联系,马克思提出的辩证唯物主义蕴含的哲学思想是诸多学科的指导思想,热力学第二定理实质上可以表达为任何一个系统恢复到原状时必然会引起另一种形式的变化。热力学第二定律虽然是一个物理学定律,但是它所揭示的不仅仅是个别现象的原理,而是宇宙间一切物质能量转换的普遍趋势,因而定律从一开始提出就具有了世界观的意义,根据热力学第二定律相关理论,在一个封闭的系统当中,能量与物质的转换只能朝一个单一的方向进行,即从能做功到不能做功,从有效到无效。当熵值达到最大时,就不再有任何自由能量继续做功,此定律揭示了物质与能量的转化是有限的,这对于我们传统的世界观既是一个比较大的挑战,又是一个新的开拓。热力学第二定律不仅揭示了热力学学科相关的理论,它具有一定的普适性,对于人类认识自然、改造自然都有一定的指导意义,对推动自然辩证法的发展具有深刻而广泛的意义。

　　4.开放观在热力学第二定律中的体现

　　热力学第二定律表明,对于一个孤立系统,熵会随着时间的流逝而增加,系统将从有序走向无序,当系统的熵达到最大值时,系统中的其它有效能量已经全数转化为热能,所有物质温度达到热平衡,即系统处于热寂,系统中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在[7]。所以要打破这种热寂状态,就要求热力学系统是一个开放系统,而不能是一个孤立系统。而这正是开放观的体现,世界是普遍联系的有机整体,处在普遍联系关系中的事物应该是相互联系的、开发的、非孤立的,这也启示了要想促进国家的发展向前,必须要开放,不能闭关锁国,特别是当今全球化的背景下,各国都与世界有着紧密的交流、合作和联系,谁也不可能离开世界独自存在。习近平总书记在科学把握当今中国发展与世界关系的基础上,提出全面开放观,以应对复杂严峻的全球化发展形势,从而促进社会主义现代化强国伟大目标的实现。在这种背景下,习近平总书记提出了“一带一路”的伟大构想,希望将中国改革开放取得的硕果能够分享给“一带一路”沿线国家,开展更大范围、更高水平、更深层次的区域合作,带动其他国家经济的发展,促进世界的和平与发展,这也是我国奉行开放发展、合作共赢的理念、推进国家合作、实现双边共赢的重要体现。

　　四、结束语

　　本文从热力学第二定律相关的含义、意义以及发展历程角度出发,基于热力学第二定律之不可逆的核心内涵,对其所蕴含的哲学道理进行了解释,集中对老子“道法自然”、人类社会的可持续发展理念、哲学中的自然观以及开放观的思想与热力学第二定律的关系进行了讨论,从而阐明了热力学第二定律中所蕴含的哲学思想。同时,启示人类要遵循自然,依照自身存在的规律去运行和发展,这也是人及万物遵循的行为准则;只有坚持人与自然和谐共处,意识到当代人对于后代人所承担的责任,才能实现人类社会的可持续发展;我们国家要坚持开放的发展战略,奉行开放发展、合作共赢的理念,实现更深层次的区域合作。

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