从自然辩证法看热力学第二定律的发展

从辩证唯物主义看热力学第二定律的发展

摘要：辩证唯物主义是马克思主义自然观的核心，科学领域的自然观与哲学具有天然的联系，辩证唯物主义所蕴含的哲学思想成为了诸多学科的指导思想。本文即是从自然辩证法的观点出发，论述了所学专业热力学学科的发展以及该学科重要定律热力学第二定律的产生和所具有的哲学意义。

关键词：唯物辩证法；生产实践；热力学；热力学第二定律；熵理论

一、前言

自然界是一切事物的本原，是人类生存与发展的根基，而科学技术是人类认识和改造自然形成的一种推动历史发展的革命性力量，它揭示了自然事物的性质及特殊的规律和方法。自然辩证法学科包含了自然观、科技观、方法论、科学技术与社会等领域的内容。自然辩证法把自然科学的特殊规律和特殊方法高度概括和抽象，使得辩证唯物主义哲学与自然科学技术相互渗透、彼此结合。

自然辩证法的重要研究内容之一为马克思主义自然观。自然观是人们通过在自然界里从事各种实践活动，逐步形成的对自然界的总的看法。由于人类认识自然和改造自然地实践活动是一直发展变化着的，并且自然界本身也在辩证地发展变化着的，从而自然辩证法在人类不同的历史时期便形成了不同的观点。人类历史上，最具代表性的三种自然观为朴素唯物主义自然观、机械唯物主义自然观以及辩证唯物主义自然观。其中辩证唯物主义是马克思主义自然观的核心，是各种自然观的最高形态。

辩证唯物主义旨在对自然界的存在、演化以及人与自然的关系进行科学理解与说明，从整体上阐述自然界的存在及其演化规律。人类对自然界的认识和改造经历了一个漫长的过程自然辩证法经历了孕育、创立和发展的过程。在其发展的过程中，其蕴含的哲学思想成为了诸多学科的指导思想。本文旨在通过对自然辩证法的初步认识与学习，结合自身专业——热力学，对热力学第二定律的发展及其科学意义、哲学意义等进行简单的分析与再学习。

二、生产实践推动热力学学科的发展

科学领域的自然观与哲学具有天然的联系。现如今，科学发展日新月异，技

术创新也令人目不暇接，而所有这一切的发展，都源于人类对自然的逐步认识、利用与改造。

在我国古代就有燧人氏钻木取火的传说，可见人类在很早以前就发现了摩擦生热的现象，这是人类最早的使用某种无生命的自然力为自己服务，实际上，人类发明了火以后，才摆脱了茹毛饮血的原始生活，从而进入了认识自然和改造自然的新时代。在古代社会，人类为了生存，在和大自然斗争中制造工具，进行生产劳动，创造了一系列具有重大意义的技术，同时获得了一些经验知识，逐渐形成了古代的科学技术。与古代自然科学技术水平相适应的，形成了朴素唯物主义自然观。原始人只是在他们的生产和生活中积累起了一定程度的反映自然物属性、符合实际状况的萌芽状态的自然知识，例如他们对火的认识及利用程度停留在要知道什么东西易于“养活”火。人类对火的应用，是最早的热利用技术。人类在生产时间斗争中，不断的改进对火的使用方法，同时也增进了对热的理性认识。

近代物理学的三次大综合创立了经典物理学。17世纪，牛顿站在巨人的肩膀上，建立了经典力学体系，实现了物理学史上的第一次大综合。18世纪，经过焦耳、卡诺、克劳修斯等人的研究，把热与能、热运动的宏观表现与微观机制统一起来，建立了经典热力学和经典统计力学，从而实现了第二次大综合。19世纪的经典电磁理论将电、磁、光统一起来，实现了物理学史上的第三次大综合。

热力学是研究能量转化规律的一门学科。毫无疑问，其学科是在生产实践基础上发展和总结出来的。摩擦取火的过程是片面的，机械运动通过这个过程转化为热，若反过来能将热转化为机械运动，这样的话，过程的辩证法才能够充分的体现出来。而这个过程的实现，经历了漫长的时间岁月。工业革命的发生，大力的推动了热力学科的发展。1769年，以瓦特为代表，发明了蒸汽机，实现了热功转换。随后卡诺对理想热机的研究，推动了热力学基本定律的提出。此后，热力学在各门学科中的应用大力发展。热力学的基础理论是两个定律：热力学第一定律（也称为能量守恒定律）以及热力学第二定律（孤立系统的熵增原理）。19世纪30-40年代，在物理学领域，诸多科学家如迈尔、焦耳、格罗夫、赫姆霍兹等人，分别从不同的侧面认识到机械能、热能、电能、化学能等之间是可以相互转化的，而且在转化过程中总能量是守恒的，即发现了“能量守恒和转化定律”。能量守恒定律不仅揭示了自然界各种能量之间既相互联系又相互转化，也说明了

无机物之间相互联系，从而打破了形而上学关于无机物之间没有联系的旧观念。能量守恒定律作为辩证唯物主义自然观据以建立的三大发现之一倍受推崇。然而，任何事物的存在必然有其缺陷性，热力学第一定律虽然表明了各种运动形式的可转化性以及运动在量上的不灭性，但由于它没有指出过程进行的方向性以及转化过程进行的限度，所以它不能完全描绘运动形式相互转化的全部复杂图景。而热力学第二定律的发现，才使这一问题获得理论上的科学说明。

三、热力学第二定律的产生

热力学第二定律同样也是从人类的生产实践和生活实践的大量经验事实中总结出来的，关于自然界热现象本质的共同规律，但它的命运却不像第一定律那样一帆风顺。第二定律从它的诞生一直到二十世纪初叶都在不断遭受人们的非议和攻击，在各个时期都有不少人用各种方式来企图否定它。热力学第二定律的正确性是由大量经验和事实说明的，是由无数次观察中没有出现任何例外而得到保证的。在宏观唯象理论中，对于经验定律而言，唯一的依据是“经验”，是千万次重复而没有出现例外这一事实，除此以外，过多的论述都是繁琐而多余的。

恩格斯曾说：“科学的发生和发展一开始就是由生产决定的。”毫无例外，热力学第二定律的发现也正是如此。它是当生产发展到一定水平，蒸汽机得到广泛地应用，从而对热机效率作了多方面研究的基础之上，从大量的生产活动课科技实践中总结出来的。1824年，卡诺抓住了热机中最本质的规律，以一个理想热机作为实际热机的极限情况，提出了卡诺定理。恩格斯对于卡诺的工作也曾给予高度的评价。但是卡诺对于这个定理的证明却是错误的，因为他的基本依据是当时流行的热质说和第一类永动机不能实现的原理。事实证明前者是荒谬的，而后者不可能卡诺定理得到证明。要使卡诺定理得到证明需要一个新的原理，克劳修斯和开尔文正是由此得到他们关于热力学第二定律的说法的。克劳修斯和开尔文实际上是在卡诺定理的基础上，抛弃了热质说的错误观点并且结合能量守恒、转化定律而提出的。热力学第二定律的提出，是物理学史上的重大成就，其应用价值和理论意义是重大的。热力学第二定律的实质是：凡涉及到热现象的宏观自发过程都是不可逆的，过程所产生的效果无论用任何曲折复杂的方法都不可能完全消除，也可以表达为不可能使系统完全恢复原状而不引起其他任何变化。

在热力学第二定律发展的过程中，产生了不同的表达形式。克劳修斯的说法

是“热不能自动地由低温传向高温”，该说法较为浅显易懂。开尔文提出的说法是“不可能从单一热源吸取热量而使之完全变成有用的功而不产生其他影响”，该说法是作为第二定律对卡诺原理的具体表述，这一说法后来被叙述为第二类永动机不可能造成。热力学第二定律虽然有各种表达形式，但它们都是相通的，因为其存在着内在联系，这个内在联系就是熵。由于自发过程的不可逆性并不决定于过程的进行方式，而仅仅与过程的初态和终态的某种性质存在着一种必然的联系，因此，可以通过数学方法用一个仅与系统的状态有关的态函数来表达，这个函数便是1865年克劳修斯提出来的“熵”。克劳修斯从理论上证明，当物体系统经绝热过程由除态到达终态时，系统的熵不减小，在不可逆绝热过程中系统的熵增加，在可逆绝热过程中系统的熵保持不变。简而言之即为：一个孤立系的熵永远不会减少，这就是熵增加原理。自二十世纪以来，熵增原理在生物学、气象学和天文学等自然科学中得到了程度不同的广泛运用，近二十年来，在社会科学中熵理论也得到了尝试性的应用，并解释了不少重大的问题。

四、熵理论的哲学意义

唯物辩证法的自然观认为，对立的统一是有条件的、暂时的、相对的，而对立的相互排斥、斗争则是绝对的。自近代自然科学确立以来所研究的各种自然现象，都是对自然现象作了单纯化和理论化的处理后才进行的。例如，牛顿力学是在忽略了实际存在着物体运动中的摩擦力等因素之后，才抽象地得出物体运动的惯性概念的，电动力学中的麦克斯韦方程则是忽略了辐射阻尼、辐射场对运动电荷的反作用等影响之后才总结出来的。这样，所有这些自然学科原理都具有所谓时间反演的不变形，是研究暂时的、重复的可逆过程。因为自然界的许多过程并不是可逆的，用可逆的物理方法去描述不可逆的客观现实世界，即忽略了物体内部的层次结构，又简化了物体与外部世界的相互关系。

但是，热力学第二定律或者熵理论却从另一个侧面看到了自然界局域过程发展的方向性，如实地研究自然过程的不可逆性。这样，熵理论在物理学领域中第一次真正触及到自然界发展的不可逆性问题。在以前的牛顿经典物理学和大多数的自然科学理论中，单向时间流的观念是不重要的。因为在这里的自然科学定律一般都是用相等性和协变性来表达的，但是熵理论和它的分子解释，却给予时间的流逝以物理意义和方向，这一点在以往任何物理学理论体系中是没有的。有人

说，熵在物质世界中，为时间的指针。在这一意义上，熵理论所揭示的不可逆性，具有深刻的哲学意义。

热力学第二定律虽然是一个物理学定律，但是由于它所揭示的并不是个别事物的个别现象，而是宇宙中一切物质欲能量转化的趋向，因而一开始就具有世界观的意义。根据熵理论，在孤立系统中的物质与能量只能沿着一个方向转换，即从有效到无效，从能做功到再不能作功。当系统的熵达到最大值时，将不再有任何自由能量继续作功了，即不能继续转化了，这就是它的有限性。由此可见，熵理论所揭示的这种物质能量转化能力的有限性，对我们传统的世界观是一个严峻的挑战，它的直接意义就是要求人类改变生产和生活方式，尽量使人类对能量的消耗与接受的太阳能辐射比例协调，以延长人类的生存与发展的限度。

另外一方面，熵理论所揭示的物质系统运动转化的无序化倾向表明，人类所能达到的目的，归根到底是建立区域秩序，从而维持人类的生存和发展，这一科学认识直接显示意义就在于为人类如何正确认识和处理人化自然指明了正确的方向和道路。在科学技术和社会生产力水平不够发达的情况下，人类人化自然地速度较慢，熵增与地球从太阳接受能量产生的负熵接近平衡或“逆差”不大。但由于近代科学技术和社会生产力的迅猛发展，人化自然地速度急剧加快，造成地球物质系统熵增急剧加快，地球物质系统熵增的急剧加快具体表现为土地肥力周期递减，非再生性能源日益紧缺以及空气、水源污染、动植物资源严重破坏等等。此外，人化自然的矿大造成了人口膨胀，而人口膨胀又要求更大规模的人化自然，这种恶性循环又进一步加剧了生态环境与能源环境的恶化。总之，人类赖以生存的自然界正在退化，正在朝着越来越不利于人来生存与发展的无序化方向转化。而面对这样严峻的时代大背景，人类必须正视严酷现实，重新构建自然观，从而知道人类在日益恶化的自然环境中采用恰当的时间方式人化自然，以实现自身生存发展的最高目的。

由以上简单论述中，我们可以清楚的看出，熵理论存在的意义不仅仅局限于热力学学科，它具有普遍的适用性，对人类在认识改造自然地过程中有着一定的指导意义，对于推动自然辩证法的发展也有着深刻的哲学意义。

五、结语

自然辩证法的发展同自然科学的发展紧密联系，20世纪以来自然科学的

突飞猛进，极大地扩大和加深了人类对自然界是认识，远远超出了19世纪自然科学的眼界。本文即是以自然辩证法与自然科学的关系为切入点，论述了自然科学之一的学科——热力学学科的发展及热力学第二定律的提出和具有的哲学意义。

在热力学学科的形成过程中，由于各人对其学科的规律等理解不一，也不乏出现过一些随意否定自然规律的倾向。例如曾有一段时间，对热力学第二定律的认识，有“热寂说”的说法，该说法片面的孤立的无条件的研究自然过程的变化，并把平衡作为变化的终点，把一切远东归宿于热运动，把各种形式的能都归宿为热能，宣称这种热运动也要最后趋向于静止，从而使这种热能变化成为不能再做功，再转化为死能。从自然辩证法的角度来分析，该说法从根本上否定了运动，否定了矛盾，否定了自然界多种多样的运动形式，否定了自然界过程本身存在着向相反方面转化的能力，从而也就豆丁了对立统一这一自然辩证法的根本规律。由此可见，在热力学学科的发展过程中，辩证唯物主义的思想起到了一定的指导作用。对于科学真理的认识，我们一定要有发展的观点，把所处的自然规律看成是发展的，不要看成是完整无缺、一成不变的绝对真理。

作为自然科学的工作者，在今后的工作中，我们必须认识到自然科学与辩证唯物主义的正确关系及重要联系，自觉地运用唯物论、辩证法指导自己的科学实践。

参考文献

[1] 李树业. 自然辩证法概论[M]. 天津：天津大学出版社.2013.

[2] 杜维钧. 热力学第二定律的历史使命[J]. 哈尔滨科学技术大学学报, 1993, 2: 022.

[3] 薛青. 必须坚持辩证唯物论的认识论——谈如何看待热力学第二定律的几种说法之间的

关系[J]. 化学通报, 1975, 3: 009.

[4] 李复, 高炳坤. 热力学第二定律理论体系的讨论[J]. 大学物理, 2000, 19(4).

[5] 贾起民. 谈谈对热力学第二定律的理解[J]. 物理教学, 2011 (3): 4-11.