如果想未来还能继续见证历史，越是这种时候，越要沉得住气，别乱动。
——坤鹏论
一、逆向而行，好好学习，天天向上！
昨晚，WTI原油期货历史首次收于负值！
不少人纷纷表示：以前一年碰到一个黑天鹅就觉得是个大事，现在过一礼拜没碰到黑天鹅就觉得缺了点什么！
还有人说，2020年过去四分之一了，我啥事没干，光见证历史了。
如果想未来还能继续见证历史，越是这种时候，越要沉得住气，别乱动。
实话说，这种时候，只要是个人类，不管他是谁，都懵逼。
就连股神巴菲特不都被称为巴韭特了吗！
亏点钱不算什么，算电影票钱，活着就好。
全球化的地球被各种链条连接在一起，黑天鹅覆盖全球，连锁之下，蝴蝶效应。
让自己不乱动的最好办法，就是学习！
越是这种时候，越要疯狂地学习。
以前讲过，人最怕的不是不快乐，而是无聊。
同时，在学习上，啃点有难度的、能让人思考的、且存在五十年以上的知识。
塔勒布提到的林迪效应，真的非常有道理。
今天，坤鹏论继续分享对于热力学第二定律的学习。
热力学第二定律，以抽象、难以理解著称。
但是，它确实是一个很有哲学意味的定律。
不仅表明了热量转换的定律，热机效率的限制，能量质量概念的引入，以及由此而引出的熵的概念。
也指明了宇宙、世界变化的方向，也就是时间的方向。
也正因为如此，坤鹏论才从基础的部分学起并分享。
越是基础，才越离本质最近。
反而，如果你不明白热力学的发展过程，上来就去理解熵，再没有哲学基础，必然会晕头转向。
这也是网上许多讲熵的文章不仅没起到普及作用，反而把人们越搞越晕的原因。
同时，在学习过程中，坤鹏论也发现，要想学什么，必须得买些严谨的图书对照学习，网上的文章实在谬误太多了。
而且，像我们这样的菜鸟，没有任何基础，自然也就没了分辨真伪的能力。
这下就更惨了，就是揣一肚子错误还不自知。
正如坤鹏论以前对于熵的理解，就是这个问题造成的。
二、永动机2.0
热力学第一定律横空出世后，许多人恍然大悟，原来永动机1.0根本就是违反该定律的，能成功才怪！
但是，如果永动机符合热力第一定律呢？
既然定律说，要想让物体运动，必须有能量来源，能量来源或取之于外界，或取之于自身，或取之于两者。
而且，能量可以从一个物体传递到另一个物体，与机械能相互转化。
那么，如果能够从外界不断吸取能量，比如：空气、大地、大海，甚至宇宙。
这些都是自然的热库呀！
这不就找到取之不尽、用之不竭的能源了吗？
有人测算过，如果能造出这样的永动机，只要使整个海水温度降0.01摄氏度，机器产生的功效就能让全世界的工厂运转上千年。
想想看：
大海航行不用烧煤或烧油，利用海水热量船就能航行在海上；
冰箱不必耗电反而可以用来发电而提供动力……
令人更加激动的永动机2.0概念诞生了——史称第二代（类）永动机！
三、让永动机2.0黯然销魂的热力学第二定律
在《你可以不懂物理 但不能不明白能量守恒定律！》中，坤鹏论提到，卡诺很早就提出了热力学第二定律的核心——热机的热效率仅取决于两个热源的温度差。
这个温度差，大家一定要牢牢握在手里，它是本质级的概念。
简单讲，温度差产生热能，有了热能就可以对外做功。
因为热力学第二定律博大精深，且有哲学意味，所以它的概念可以从不同方向去表述，于是，也就出现了多个概念表述。
比较著名的有三个，坤鹏论下面一一分享给大家。
1.热力学第二定律的克劳修斯表述
1850年，德国物理学家、数学家鲁道夫·尤利乌斯·埃马努埃尔·克劳修斯发表了其最重要的论文——关于热的力学理论。
其中，首次明确指出热力学第二定律的基本概念，也就是“热力学第二定律的克劳修斯表述”：
——热，总是从高温物体传到低温物体，在没有任何变化的情况下，热，不可能自发地从低温物体传到高温物体。
其实，这是克劳修斯从能量守恒所提供的新角度描述了卡诺循环。
他讲的是热量的流动方向。
那么，怎么才能让低温物体向高温物体传热呢？
这时候，可以通过外界给能量的办法。
比如：冰箱，里面冷外面热，但是，它通过消耗外界给的电能对制冷系统做功，使其能够将里面的热放到外面。
注意，这个过程并不是自发进行的，它引起了其他变化，也就是消耗了电源的电能。
再比如：回到《你可以不懂物理 但不能不明白能量守恒定律！》看一看前面名词部分对热机的解释。
锅炉加热→水变成高温高压的蒸汽→推动活塞对外做功→水变成低压蒸汽→被送到冷凝器冷凝成水→重新送回锅炉加热
其中送到冷凝器，就是用接触一个低温热源的方法进行冷却的过程，从而让热机恢复到它初始的力学状态和热学状态。
所以，能量转换的平衡关系就包括了两个过程：
一是，热源之间的热流；
二是，热转变为功。
热量从一个热源传到了另一个热源，一方面产生了机械功，另一方面传输了热量。
显然，如果没有冷凝器，这件事就无法循环。
这就是热量传递的不可逆性，或者说，热量流动的不可逆性。
也就是热量总是自发地从高温热源流向低温热源，这是克劳修斯表述的前半句。
但是，如果要逆向这个过程——热量从低温热源流向高温热源，不借助于外界的能量——冷凝器这样的冷机，则不可逆。
这就是克劳修斯表述的后半句——“在没有任何变化的情况下，热，不可能自发地从低温物体传到高温物体。”
2.热力学第二定律的开尔文表述
总的来说，卡诺和克劳修斯所提出的问题，主要基于能量守恒的理想化过程。
但是，科学到科技，不仅要理想化，更要解决实际问题。
在热机的实际应用中，最大的问题就是能量损耗的问题。
英国物理学家开尔文很快就抓住了这个问题的重要意义。
让我们先来看看一个非常著名的永动机2.0案例。
1881年，美国人约翰·嘎姆吉为美国海军设计了零式发动机。
这个发动机被注入了温度明显低于海水的液体氨，它与海水相互作用，会吸收海水的热量，液体氨会变成氨气（气体氨），氨气膨胀做功，之后再变成液体氨。
只要保证吸收的热量全部做功，这个循环就能持续永动。
但是，它一次都没有成功过。
因为海水比液体氨温度高，所以在没有低温热源的情况下，气体氨不可能通过对外做功重新液化，变成液体氨。
这件事就牵扯到了下面的内容。
几乎与克劳修斯同时，英国物理学家开尔文于1851年提出了“热力学第二定律的开尔文表述”：
——不可能从单一热源吸取热量，使之完全转化成功而不产生其它影响。
这个表述代表了，从实际应用出发，热机的要求。
单一热源——指温度均匀并且恒定不变的热源，如果不如此，那实际相当于有若干个热源了。
吸取热量——指工作物质可以从热源中温度较高的一部分吸热而向热源中温度较低的另一部分放热。
其他影响——指除了由单一热源吸热全部转为功以外的其他任何（包括系统与环境）变化。
让我们再来看看蒸汽机工作中实际发生了什么。
它总是存在高温和低温两个热源，从高温热源吸热后，一部分会用来做功，一部分则会放到低温热源。
这样才能保证它的循环运转。
所以，如果只有一个热源，是不可能吸热，完全用于做功。
再回顾一下卡诺所指出的：
第一，热机的热效率仅取决于两个热源的温度差。
第二，空气比水蒸汽更适合作为工作物质，因为它的冷却速度比水蒸汽快。
由此他预言了以空气为工作物质的热机，以及将燃气与空气混合物压缩打火的内燃机。
这些都被后世成功实现，并成为人类的主要热机。
这里大致讲讲汽油机、内燃机的原理。
它们燃烧汽油，产生很高的温度，从高温气体中吸热，一部分做功带动机器，一部分释放到周围的空气中，空气就是低温热源。
如果空气的温度和内燃机里面的温度一样，这个热机就无法工作了。
还有一个叫温差电动势的现象更有助于我们理解开尔文表述。
比如：我们准备两杯水，一杯1度，一杯100度，接着，将两根不同的金属丝两端接到一起，然后两端分别放入两杯水中。
这时候金属丝就会产生电流。
这就是温差电动势。
并且，随着电流的不断产生，热水的温度越来越低，冷水的温度越来越高。
注意，同时发生了两个变化：一个是产生电流，一个是两杯水的温度变化。
这个过程其实就是从热水中吸热，一部分放到冷水里，一部分对外做功——电流。
当两杯水的温差等于0的时候，电流也就消失了，也就是不再对外做功了。
以上都在说明开尔文表述中的含义：
任何热力学过程，系统在吸热对外做功的同时，必然会产生这个热转化为功以外的其他影响，比如：两杯水的温度变化，当温度差为0时，做功就停止了。
确实，我们只要找到两种有温差的东西，将它们连接就能对外做功，制造成一台机器，比如：海水和冰山。
但是，冰山是有限的，冰山会融化，最终温差消失后，这台机器也就没有功的驱动，无法永动了。
所以，我们再简化开尔文表述就是——功、热不等价，功转化为热的不可逆性。
3.为什么都是热力学第二定律的表述？
虽然，克劳修斯表述和开尔文表述描述的是两类不同的现象，说法也很不相同。
但是，它们都强调了不可逆过程：
克劳修斯表述，实质说的是热传递过程是不可逆的；
开尔文表述，实质说的是转变为热的过程是不可逆的。
其实，两个人的表述是完全等价的。
也就是，如果违反一种表述的行为，必然导致违反另一种表述的行为。
也是，如果不等价，它们就不能并称为热力学第二定律的表述了。
这块我们可以通过假设来验证。
我们假设开尔文表述是不成立的。
比如：有一种机器，它可以从低温热源吸热使之完全转化为功，我们就可以利用这个功驱动类似冰箱的机器，把低温热源的热量放到高温热源。
这样，也就实现了克劳修斯表述中“在没有任何变化的情况下，热，不可能自发地从低温物体传到高温物体。”
结果就是，两个表述皆不成立。
大家可以再反过来假设克劳修斯表述不成立，看看开尔文表述是否还能成立。
4.热力学第二定律的第三种表述
不管是克劳修斯表述，还是开尔文表述，它们都证明了永动机2.0是不可能成功的。
所以，也就有了热力学第二定律的第三种表述——第二代（类）永动机是不可能实现的。
也正是各种不可逆过程中的内在联系，使得该定律应远远超过热功转换的范围，成为整个自然科学中的一条基本规律。
在一切与热有联系的现象中，自发地实现的过程都是不可逆的。
这是热力学第二定律的实质。
而且，热力学第二定律还代表着自然界的发展方向——总是从有序向无序发展。
三、思考实践——空调违反热力学第二定律吗？
就像芒格所说，有人发明了一些新的科技使飞机变得更大一些，或者能够靠两个引擎而不是三个就能飞跃大洋或飞行更远的距离，这些革命性变革确实在改善航空公司的绩效。但只不过是一个在科技上非常先进的社会将要拥有的正常的科技进步。
相比而言，更让人感兴趣的是气候的根本变化，空调的出现对于热带地区带来了革命性的变化，空调极大地改变了世界，并且以一种非常有趣的方式改变了制造业的经济特征。
其实，相比空调，冰箱更具革命意义，因为空调就是某种类型的冰箱而已。
前面坤鹏论已经讲了冰箱，现在让我们学以致用，思考一下空调如何符合热力学第二定律？
以夏季空调制冷为例，其中的要点是：制冷剂工质。
正是它在整个循环中的相态变化——液体和气体间变化，实现了热量从低温处向高温处的转移。
相态，也叫物态，学名聚集态，是一般物质在一定的温度和压强条件下所处的相对稳定的状态。
通常是指固态、液态和气态。
物质的上述三种状态是可以互相转化的。
比如：水（液态），冷的时候会结成冰（固态），加热到较高温度时，会变成蒸汽（气态）。
为了让制冷剂相态变化，付出的代价就是空调里电功的输入。
这个过程恰恰印证了热量不能自动从低温向高温传递。
不知，你有没有这样的感觉，认真地、系统地学习到这里后，再看上面的空调工作原理图完全不像以前那样一摸黑了。
本文由“坤鹏论”原创，转载请保留本信息
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