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熱力學:生活中的熱力學
您知道「老兵不死、只會凋零」、「由儉入奢易、由奢入儉難」、「覆水難收」與熱力學的定律均能脈絡相通嗎?只要細心觀察與用心體會,「熱力學」也可以變得很「生活化」喔。
 
 
 
拆穿西洋鏡的法寶「熱力學」

筆者曾在報章中見過以下兩則報導:報導一:「某家公司開發了一種新技術,可將水與重油以1:2的比例混合,該公司宣稱使用這種技術,可以讓客戶節省三分之一的燃料成本!」報導二:「某家公司宣稱其發明的新型爐具,可將特殊處理過的純水分解後燃燒;這種既安全又便宜的高科技新產品,目前正在尋求投資者,將此項技術商品化。」乍看之下,這兩項「新技術」似乎有助於紓解人類長久以來能源短缺的困境。然而,這些報導是否言過其實?是否為欺騙投資大眾的不實廣告?事實上,這類疑問只要經過熱力學定律的檢驗,就能真偽立辨。基本上,這兩項「新技術」的手法相當類似,即是在不互溶的水與油(或碳氫化合物)中,添加某種界面活性劑,使得水與油得以互相混合,因此第一項報導中的重油加水,在技術上是可能的。然而,問題的關鍵在於水本身不具有熱值。

根據「熱力學第一定律」,一個系統中,其總能量必須守恆;能量不會無中生有,也不會平白消失。雖然在重油中加入三分之一的水,這種水/油混合燃料燃燒時所釋放的熱能,還是來自於重油中可燃成分的氧化反應。添加的水,不但無法提供額外的熱能,而且還稀釋了燃料單位重量的發熱量。燃料中少量的水分,可能有促進燃油霧化的效果,使得燃燒效率有些微的提升;但是在重油中加入三分之一的水,絕對不等於節省燃料三分之一。因此,根據「熱力學第一定律」的推斷,第一項報導顯然有言過其實、誇大效果之嫌。

至於第二則報導更是不可思議,因為基於前述的道理,純水並不含有熱值,不可能在未添加其他可燃物質的情況下,僅憑水就能夠燃燒放熱,顯然已違背了「熱力學第一定律」。此外,縱使是在其爐具中加入外來的能量,使水先行分解再進行燃燒;但是「熱力學第二定律」揭示,任何實際的變化過程都是不可逆的程序,在不可逆的過程中,必定有功的損失,所以外加的能量肯定是比從爐具中所能釋放的有效熱量還要大。從經濟上的考量,其能源成本勢必比直接利用外來能源加熱的方式高。

基於上述的推斷,第二則報導也無法通過熱力學定律的檢驗。事實上,根據筆者現場觀察,業者所推銷的「水」燃料,聞起來有很濃的汽油味,業者辯稱為了避免誤食,故意在水中摻入這種味道。事後我們曾將這種「水」樣品,以氣相層析儀分析,結果發現樣品中含有很多的碳氫化合物成分。

至此,事情的真相大致已可明白,其配製「水」燃料的手法類似於前項的重油加水,業者顯然刻意隱瞞了在水中已添加可燃性成分的事實,此一事例經熱力學定律的檢驗,應可判定為欺瞞投資大眾的不實廣告。果然,事隔不久這家公司就草草關門結束營業了。

能量不滅  只會凋零

「熱力學第一定律」揭示能量不滅:能量可以不同形式存在,並且可相互轉換,但總量不變。描述第一定律的能量均衡式中,只論及能量在數量上的守恆,對於不同形式、不同條件的能量,均無所區分,亦即總能量同是100百萬焦耳的高溫蒸氣與攝氏40度的溫水,在第一定律中被視為等值。

然而,生活上的經驗告訴我們,100百萬焦耳的攝氏40度溫水,可以讓我們泡個舒服的澡;而100百萬焦耳的高溫蒸氣,可能將一隻鴨子煮熟。足見兩者在數量上雖然相等,但本質上應有所不同,顯然單從第一定律是無法分辨能量的本質。

另外,生活上的經驗也告訴我們,無需外加能量的驅動,一杯高溫的開水,會自發性地逐漸降至室溫,反之則否。由「熱力學第一定律」只能知道在降溫的過程,開水中有多少的熱能傳遞至周遭的環境;但是,第一定律卻無法描述,熱能可自發性地由高溫往低溫傳遞的這一現象。

「熱力學」對一個物質的性質另外定義了一個物理量–熵(entropy, S),以區別能量在不同條件下的品質高低,並用來表示自發變化程序的方向。「熱力學第二定律」揭示「自發性的演化是朝向熵值較大的方向進行」。前述高溫向低溫的熱傳遞過程,熵值的增加率與溫差的平方成正比,此一自發性的熱傳遞程序,將進行至與室溫相等方止,這時因溫差為零,熵值不再增高。從濃度高往濃度低方向進行的自發性擴散,也是類似的道理。

第二定律也界定了熱能只有高於環境條件的部分才是可用的能量,衡量「可用能」的大小,即可區分不同形式的能量,在不同條件下的品質高低。依此原理,若以高溫蒸氣把室溫的水加熱至攝氏40度,此一熱交換過程,總熱能雖然守恆,但勢必造成「可用能」的損失。

綜觀「熱力學第一定律」與「熱力學第二定律」,可得知能量在使用過程中,只會改變存在的形式,而總能量保持不變,但能量的品質(可用能)會在使用的過程中逐漸降低,最終趨於環境的條件,「可用能」也因而損失殆盡。這種能量不滅、只會降級的現象,用麥帥的名言「老兵不死、只會凋零」來描述最為貼切。

「亂度」與「不可逆程序」

以統計熱力學的觀點,熵值愈大,表示系統的亂度也愈大,因此第二定律可改述為:自發性的變化朝向亂度增大的方向進行。例如分處於兩容器內不同成分的氣體,一旦相通,即會自發性地混合,最終將趨於最大亂度的均勻分布狀態。反之,如果要使此混合氣體,回到混合前的狀態(即降低系統的亂度),則必須消耗相當多的能量,才能把兩種不同的成分分開,這就是第二定律中所謂的「不可逆」程序。

任何一個變化過程,只要有驅動力的梯度存在,如熱傳遞時的溫度差或質量傳遞時的濃度差,就會有熵值產出;除非這些驅動力趨近於零,方能達到所謂的「可逆」程序。實際上,任何一個真實的變化程序,均為不可逆程序。

由以上的說明不難得知,系統可輕易地往亂度增加的方向變化,但是要回復到初始的狀態,則需付出相當的代價。以房間的內務為例,我們常在不知不覺中就把房內弄得很凌亂,但是要將房間清理到整潔的狀況,則需費一番功夫,這種現象完全符合「熱力學第二定律」的原理。古諺中的「由儉入奢易、由奢入儉難」,也與第二定律的陳述不謀而合,的確亂花錢很容易,要節制開銷,卻需有很強的克制力。

「熱力學第二定律」已明白揭示真實世界的變化均為不可逆程序,要恢復原狀,必須花很大的代價。嚴格地說,變化程序既然都為不可逆,其實再怎麼努力,也無法使系統內部與外部的環境同時回到原來的狀態。此點足可給我們一個啟示:做任何事之前,必須「三思而行」,否則一旦傷害造成,將是後悔莫及。古之名訓:「覆水難收」、「破鏡難圓」等,都是老祖宗歷經長久的生活體驗,所得到的智慧結晶,與「熱力學第二定律」中的「不可逆哲學」相互呼應。

與日常生活的關聯

由「熱力學第一定律」與「熱力學第二定律」,可導衍出各種物性間的關係。提供估算物質性質的方法,是「熱力學」的主要用途之一,而物質的性質又與其用途關係密切。事實上,日常生活中的許多活動,都可用「熱力學」的原理解釋。

以燒開水為例,純水在一大氣壓下,沸點大約是攝氏100度。水的沸點隨壓力的升高而提高,市售的壓力鍋,就是提供一個較高壓的環境,以便升高鍋內水的沸騰溫度,使得燉煮食物較一般常壓下的鍋子來得快速。而高山上因氣壓較低,水的沸點降低,使得食物不易煮熟,也都是相同的道理。如果要在一大氣壓下,獲得較高的烹煮溫度,就需換成沸點較高的介質,植物油與動物油脂的沸點就比水高出許多,適合於食物的煎炸。各種物質沸點與壓力的關係,就是「熱力學」中所謂的「汽、液相平衡」的問題。

以中藥的煎煮為例,用水煎煮中藥,就是將水當成溶劑,把草藥中的有效成分萃取出來。我們也常在煎藥時加入米酒,以熱力學的觀點而言,酒精(乙醇)被當成「助溶劑」,目的在於提高某些草藥中有效成分的溶解度。又如,寒帶地區遇下雪時,常在路面上灑鹽,就是在降低其凝固溫度(或熔點),以減低路面結冰的可能。相同的道理,愈甜的冰棒,其熔點愈低,愈容易融化。

至於冰上溜冰的原理,在於冰的熔點隨壓力增大而降低,溜冰時人體的重量,集中落在冰刀與冰的接觸面,相當於在冰面上施加一很大的壓力,使得冰在低於攝氏0度的情況下,就能融化成水,成為冰刀與冰之間的潤滑劑。冰刀劃過,壓力消失,熔點又恢復為攝氏0度,水膜又結成冰。上述這些例子,都是「熱力學」中所謂的「固、液相平衡」的問題。

日常的清潔用品,主要是利用界面活性劑分子同時擁有親水端與親油端結構的特性,透過這種界面活性劑的媒介,可將油性污物溶在水中,達到除污的效果。至於本文前述的兩則報導,讓不互溶的油與水能完全混合,也是利用相同的原理。

還有很多的新產品,都是藉由改變分子的結構,以獲得特定的物理性質,而產生新的功能。熱力學的研究,可提供分子結構與物質性質間的關係,進而引導研發人員設計、創造出具有特殊用途的新產品。

美國3M公司就是一個充分發揮「熱力學」在新產品開發上的代表性例子,該公司設有一分子模擬小組,將電腦模擬分子物性的技術,應用在新產品(如氟化物質,表面處理劑,新塗料配方,生化物質等)的開發,經由分子模擬的結果,篩選出可能具有某些特定物性的分子結構,大幅減少實驗工作的需求量,進而節省新產品開發的成本與時間。

後記

印象中,每每問及學生對於修習「熱力學」的感想,所得到的標準答案往往就是「很抽象」,多麼簡單扼要的回答!聽多了這樣的回應,心中不由得也起了疑問,「熱力學」真的就是這麼抽象嗎?是否能用更具體的事例或與學生切身相關的事物,來說明熱力學的原理與應用?

幾年前,曾到東海大學化工系演講,講題是「熱力學的應用」,為了增加內容的趣味性,嘗試從日常的生活體驗與中國固有的哲理下手,找尋一些與熱力學定律相關的例子。在準備演講素材的過程中,發現其實「熱力學」對我們不是那麼遙不可及,只要細心觀察與體會,日常的事物或現象,都可用熱力學的原理來解釋,許多的中國古諺也與熱力學的觀點不謀而合。如今正好藉此機會,將過去所蒐集的一些相關的零碎片段串接起來,希望透過本文的說明,能使讀者對「熱力學」有另一層的認識。
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