【因约眺望专栏】热力学第二定律(四):卡诺循环

【因约眺望专栏】热力学第二定律(四):卡诺循环

(图/shutterstock)

法国少年“哲学神论者”尼古拉·卡诺曾发想能否制造出一部昔在、今在、以后永在的理想机器,不须任何能量供应而能永远驱动运转;却以英年早逝于潦倒落魄中。幸亏《圣经》告诉我们,在超越宇宙之上的创造主哪里,有永恒及不变的理想…

“主神说:‘我是昔在、今在、以后永在的全能者。’”(启示录1:8)

 

法国少年“哲学神论者”(Philosophical theist)、物理学家、工程师尼古拉.卡诺(Nicolas Carnot)聪颖过人,曾发想:“是否可能制造出一部昔在、今在、以后永在的理想机器,不须任何能量供应而能永远驱动运转呢 ?”

 

1712年,英国工程师托马斯.纽科门(Thomas Newcomen)发明了第一台活塞式蒸汽机,大约50年后(1769),另位英国工程师詹姆斯.瓦特(James Watt)改良出工业蒸汽机,大幅提高蒸汽机效率和实用性,掀起西方工业革命。

 

当时引擎效率只有3%,而有关蒸汽机的科学理论还是付之阙如、热力学定律也仍在争议中,这位法国大革命时期杰出的数学家卡诺,竟超越时代,有“永动机”的构想,让人敬佩不已。

 

卡诺出身法国巴黎小卢森堡宫贵族世家,其父在拿破仑时代担任高官,是军事工程师和革命军领袖、其弟是政治家左派议员。卡诺16岁时,考入巴黎综合理工学院,毕业后成为军事工程兵团的官员。

 

拿破仑帝国倾覆后,卡诺自然很难在军中立足,便开始将大部分心力转注在私下研究,却不被当代重视,因而患了“躁狂症”和“谵妄”,被拘禁在疗养院。不久,他染上霍乱,病逝时年仅36岁。

 

由于霍乱是传染病,患者遗物必须焚毁,卡诺生前大量科学手稿付之一炬,只有极少数幸存下来,不为人知。后来有一学者埃米尔.克拉佩龙(Émile Clapeyron)发现,在论文中引用卡诺循环公式,随后英国物理学家威廉.汤姆森(William Thomson)、与德国的鲁道夫.克劳修斯(Rudolf Clausius)深受启迪,奠定了后来由他们发展出热力学定律,以至于人称卡诺为“热力学之父”。

 

卡诺的永动机(卡诺循环)理论说明:热机(或称热引擎)之热效率和热源的温度有关,最大的热效率不会超过卡诺理想中的热机,约为其 <40%。换句话说,我们每得到转化的能量永远会有1.5倍(60% ÷ 40%)以上的损失(没有功效的能量)—这就是后来克劳修斯提出“热力学第二定律”中的“熵”(Entropy)及其他能量耗损。

 

从此我们知道,如果没有外力,这世界上总是一代不如一代、宇宙间永无所谓不变的理想、人间任何收获都得付上至少1.5倍的代价,并须忍受过程中产生的垃圾—这世界显得何等灰黑啊,正如卡诺由出生贵族,却以英年早逝于潦倒落魄中!我们不禁要呼喊:人类的希望在何处?幸亏《圣经》告诉我们,在超越宇宙之上的创造主哪里,有永恒及不变的理想。

 

生命不足理想而逐渐溃败、存活代价何等昂贵,并会制造出诸多垃圾,所以我们仍活着的都是罪人、亏缺了起初创造主的荣耀,因为我们都伏在“热力学第二定律”之下、生命都在卡诺循环中无谓耗损。

 

也因此,要臻于至善,我们需要生命的救赎主—这是生命苍白、享年寿短的天才卡诺留给我们的教导啊。耶稣基督就是那救赎主,因《圣经》说:“万有都是靠祂造的,…,万有也靠祂而立。”(歌罗西书1: 16-17)

 

(文章授权/潘荣隆牧师)

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