熱動力學第二定律的非數學理解

有朋友看了我有關第二定律的討論後，說他接受不了能量不能完全轉換的概念。他說：‘不能完全轉換祗是技術而不是原則問題。現在做不到，不代表將來做不到，今天的電腦比以前更快更省電，熱量也降低了，總會有一天，科技可以進步到電腦不產生熱也可以運作。你現在說這是定律，想也不去想，是不是固步自封呢？’

我語塞了，因為我真不知如何向他解釋這是原則而不是技術問題。一直以來，我都是以數學方式去理解這個問題，這個朋友的數學水平，並不足夠理解有關推論，但若不用數學語言，我又真不知如何解釋。

我想了想，最後也總算想到一個例子，雖然有欠嚴謹，但總可以令人有個印象，我還是把它寫下來。

想像一下，風把風車吹動，我們便用這個動力去推動發電機，實現風力發電。從能量的角度，這就是風的動能，通過風車變成電能。所謂動能(kinetic energy)便是一個移動中的質點因其質量和速度的能量。由於物質也是守恒的，所以風（空氣粒子）的質量在進入風車前，和離開風車後是不會改變的。可以變動的便是速度，可以想像，高速（高能量）的空氣粒子進入了風車系統，風車便吸收其動能，於是空氣粒子便以一個較低速度（較低能量）離開風車。

很明顯，可轉換的能量上限就是進入前的動能減去離開時的動能。

沒問題，我們便叫工程師們設計一個可以全數吸收風能的系統。若今天辦不到，再加努力，總有一天可以的。但事實就是不論工程師多努力，科技多先進，這也是辦不到的。為甚麼？

理由就是若風車可將全數能量轉換，當空氣粒子離開風車時，其動能必需等如零。同意嗎？質量不等如零而動能等如零就祗有一個可能性，速度等如零。速度等如零就是不動。這即是說我們要設計一個風車，風不停地吹進風車，接著就要完全停下來！這即是說這些空氣粒子就要聚集在風車的後面，越來越多，這可能嗎？

實際運作的風車，其實祗能把部份能量轉換，所以空氣粒子還有動能，但由於速度的降低，它們必需擴散，否則，便會阻礙空氣粒子的進一步的進入。流體動力學可推算空氣粒子的擴散情況，這就可以推算風車的能量轉換比率的上限。

我們若不嚴謹地把上例推廣，便可以對第二定律有個印象上的理解。例如，用火去煮飯。熱是會從高溫流向低溫的。所以是火煮飯，而不是飯煮火的原因便是火的溫度比飯高。若飯和火有相同的溫度，就沒有能量流動了！既然火必需比飯溫度高，那麼飯就不可能全數吸收火的能量！其實，就算火和飯有同一溫度，這個溫度仍必然比未加熱前的溫度高，這即是說熵也是增加了，能量就不可能全數轉換。

以上推論其實很有問題，但這是不用數學語言的抽述上限，就這樣理解罷！