在物理学史上有一个非常著名的定律的推论，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。由于涉及到宇宙未来、人类命运等重大问题，因而它所波及和影响的范围已经远远超出了科学界和哲学界，成了近代史上一桩最令人懊恼的文化疑案。这个定律就是热力学第二定律，这个推论就是热寂说。热力学第二定律就是由本文的主角德国物理学家克劳修斯提出的。
鲁道夫·尤利乌斯·埃马努埃尔·克劳修斯
鲁道夫·尤利乌斯·埃马努埃尔·克劳修斯于1822年出生在普鲁士克斯林（现在的波兰科沙林）的一个教师家庭。他的父亲创办了一所私人学校，并自任校长。克劳修斯也是在这个学校里接受的初等教育，随后又在斯特汀中学继续学业。1840年，克劳修斯进入柏林大学，并于1847年在哈雷大学获得数学和物理的哲学博士学位（当时的物理被称为自然哲学）。1850年，克劳修斯进入柏林皇家炮兵工程学院担任物理学教授，5年后又调任苏黎世工业大学。1867年，克劳修斯回到德国，在维尔茨堡大学工作，并在2年后移居波恩，担任波恩大学的教授。克劳修斯的主要工作领域是热力学和气体分子运动论。
科沙林风景
19世纪初以来，蒸汽机在全球各个领域得到了广泛使用，如何提高热机的效率问题成了当时非常重要的实际问题，也是当时物理学界理论研究的热门课题。1824年，卡诺提出了理想热机的模型，从根本上证明了永动机不可能实现的卡诺定理（参见科普君之前的文章《物理史话之理想热机卡诺》），不仅指出了热机效率的上限，实际上也包含了热力学第二定律的重要内容。只不过当时卡诺论证的基础还是热质说，但是热质说其实是不对的。后来到了19世纪中叶，经过很多科学家包括迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人的研究发现，终于建立了极为重要和普遍的能量转化和守恒的定律，成为研究热和运动相互转化的基础。1850年，克劳修斯在前人研究的基础上发表了著名的论文《论热的动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律》。在文中，克劳修斯根据热运动学说，提出一个基本定律：靠热来做功时，所消耗的热与功成正比；反之，消耗的功也会产生同样数量的热。克劳修斯不仅否认了热质理论的基本前提，还认为热量不能看作是物质状态的函数而与过程有关。克劳修斯还给出了热力学第一定律的表达式：，U是物质状态的函数，是克劳修斯首次引入热力学中的，在一年后，汤姆逊将U命名为内能。克劳修斯指出，如果没有某种动力的消耗或者没有其他残存的变化，就不可能使热从低温物体转移到高温物体，并以此为根据，通过正、反循环组合的想象实验，即可证明卡诺定理。克劳修斯的这个想法，实际上就是热力学第二定律的来源，后来克劳修斯更加明确地阐述了这一点，并在1854年正式提出热力学第二定律的名称。1865年，克劳修斯在《力学的热理论的主要方程之便于应用的形式》一文中，引入了称为物体的熵的状态函数S，并定义为，并严格证明：一个孤立系的熵永远不会减少，即"熵增原理"。另外，克劳修斯建立的基本关系式可以导出，这就是热力学第二定律的基本微分方程。由此可见，克劳修斯不仅发现了热力学第二定律，还找到了定量表述热力学第二定律的重要概念熵。他的工作为热力学的发展开辟了道路，并使热的运动学说得到了广泛的承认。在论文的最后，克劳修斯指出，如果热力学第一、第二定律适用于全宇宙，则"宇宙的能量是恒定的"、"宇宙的熵趋于某个极大值"。克劳修斯在2年后的一次演讲中，进一步指出：宇宙越是接近于其熵为一最大值的极限状态，它继续发生变化的可能就越小；当它完全达到这个状态时，就不会再出现进一步的变化了，宇宙就将永远处于一种惰性的死寂状态。这就是本文开头所说到的那个著名的推论：热寂说。首先对"热寂说"提出诘难的是麦克斯韦，他设计了一个假想的存在物--"麦克斯韦妖"。我们在以后麦克斯韦那章中会谈到。不过到20世纪以后，特别是大爆炸学说的兴起，这个问题已经得以解释。
麦克斯韦妖
气体分子运动论早在伯努利的时代就已经被指出了，后来包括赫拉帕斯、瓦特斯顿、焦耳、克伦尼希等人都对其所有贡献。1857年，克劳修斯发表论文《论我们称之为热的那种运动》，在文中克劳修斯阐明了分子运动论的基本思想和方法，为阿伏伽德罗定律提供了第一个物理论据，还证明了波义尔定律和盖·吕萨克定律。克劳修斯从气体由大量激烈运动分子组成的概念出发，指出考察单个分子的运动既不可能也没意义，系统的宏观性质取决于大量分子运动的平均值，他第一次明确提出了统计平均的概念，这是建立分子运动论的前提。第二年，克劳修斯继续发表论文，修正了他上一年论文中的一些问题，并引入了平均自由程的概念，坚定了人们对分子运动论的信心，开辟了研究气体输运现象的道路。在克劳修斯工作的直接影响下，1860年，麦克斯韦给出了分子速率分布律，计算出了平均速率和方均根速率。克劳修斯对热学理论的最后一个有意义的贡献是在1880年的稳重中提出了范德华状态方程的改正形式，这个方程后来被人称为克劳修斯方程。
克劳修斯方程
1888年，克劳修斯在波恩去世，享年66岁。
预告一下，下期人物：基尔霍夫
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