工業革命背後的重要科學概念——熱力學循環

提起工業革命，大家一定會諗起蒸汽機。因為有蒸氣機先能夠產生火車、輪船、工廠裏面嘅各種機器等工業革命嘅指標產物。蒸汽機，簡單嚟講其實就係一個將「熱量」 (heat) 轉化為「功」(work) 嘅機器。如果唔識熱力學嘅人，好可能以為蒸氣機其實就不外乎要不斷煲熱啲水。其實加熱只係其中一個步驟，任何嘅「熱機」(heat engine)（包括蒸氣機）都需要加熱，但亦需要冷卻。就咁聽可能會覺得好古怪。點解咁浪費呢？加熱咗又要冷卻？呢度就要認識一個熱力學嘅基本概念——「熱力學循環」(Thermodynamic Cycle)。

睇卡通，有陣時都會想像出一啲裝置可以一啟動就靠內部嘅機關互相推動，令到呢部機器可以不斷咁自行運作，呢個概念叫做「永動機」。喺日常生活，我哋有時都會誤以為永動機係可能實現嘅。例如骨牌，只需要付出少少嘅初始動力（推倒第一塊骨牌），跟住就會好似推動到好多更大嘅骨牌。又或者儲好咗嘅水，只要輕輕扭開個制令佢流出水柱，似乎又可以推動到下面嘅水車。

歷史上曾經有好多科學家工程師不斷嘗試製作永動機，甚至為佢嘅設計攞咗專利，但當然最終都冇辦法生產出嚟。其實個盲點係呢啲設計一定唔係循環永續嘅。骨牌只能夠推動一次，佢冇可能靠骨牌本身嘅力去再將佢還原，變成為未被推倒之前嘅狀態。骨牌之所以睇落好似以小變大，完全係因為有人花咗更大嘅力氣，預先將骨牌set 好，儲存咗只能夠用一次嘅能量喺系統當中。能量釋放完之後系統就必然會停止。

蒸氣機同樣亦需要不斷循環咁產生「功」，而唔係一次性嘅。第一個人理解到設計蒸氣機必須要遵守以上規律——「熱力學第二定律」嘅人，係法國人卡諾 (Sadi Carnot, 1796-1832)。簡單嚟講，系統需要加熱至高溫去接收熱量，但同時亦要冷卻返去低溫嘅狀態，先可以做到一個熱力學嘅循環。不斷加熱嘅系統最終只會停留咗喺最高溫度而唔能夠再接受熱量，亦因此唔能夠再產生「功」。

呢一種需要活動喺兩個溫度環境之間嘅條件，令到卡諾理解到蒸氣機其實就算唔考慮種種現實嘅限制，理論上都係唔能夠將系統接收到嘅熱量全部轉化為「功」。1824年，卡諾27歲，佢提出咗經典理論「 卡諾循環」 (Carnot Cycle)，一個理論上熱轉化效率最高嘅設計。卡諾循環其實亦都唔可能喺現實中出現，不過可以畀我哋知道理論上熱轉化效率嘅上限係幾多，即 1 - TL/TH （TL = 低溫環境嘅溫度，TH=高溫環境嘅溫度)。要明白卡諾點樣推導出呢一個公式就比較複雜，呢度就暫且從略。

今日通常認識熱力學第二定律都會透過理解”entropy”呢一個抽象嘅概念。但係其實呢個概念係喺卡諾死之後先至被定義。熱力學喺19世紀最初出現嘅時候，其實就係從設計蒸氣機時遇到嘅困難，慢慢累積經驗變成嘅理論。科學發現令到新技術誕生，但新嘅技術其實又會再帶嚟新嘅科學發現。工業革命亦正正係因為進入咗呢一種循環，先令到西方社會能夠急劇發展。