3.分子的运动

如果我们的台球桌边具有理想弹性，并且设想一个没有外部阻力的理想情况，比如没有摩擦力和空气阻力，那么球一旦被击中，就会永远沿“之”字形滚动。如果让几个球同时运动，那么每个球都会沿着相似的轨迹滚动，但偶尔会有两个球相撞。如果台球也是理想弹性的，那么整体上就不会有动量或能量的损耗。球会往不同的方向反弹，但它们的舞会永不散场。

这就是我们看到的气体分子运动论的图像，只不过要把二维改成三维。这些分子被认为是具有理想弹性的球，它们彼此反弹或者从容器壁反弹时不会损耗能量。一旦分子以任何方式开始运动，它们的惯性就会阻止该运动结束。

然而，我们肯定不能把分子看作“永动机”，因为不可能凭空产生能量。相反，它们实际上是能量的储存库。分子倾向于填满所有能到达的空间，这种趋势是储存能量的明显迹象。如果容器壁上有一个洞，分子当然就会设法通过它。此外，气体对容器壁施加的压力，是粒子持续不断的微小冲击的总和。

现在，我们将在动画Ⅰ中看到分子之舞。当然，动画Ⅰ被放大了很多倍。真正的分子太小了，我们根本看不见。所有人都很习惯在地图上用很小的比例描绘国家和大陆，但这里我们用的是相反的方法，用很大的比例来表示非常小的物体。

最开始，我们看到分子四处飞舞并与容器壁碰撞。然后，出现了一只向下压活塞的手，分子飞舞的空间更小了，每个分子与活塞碰撞的频率也更高了，因此，进一步缩减空间体积需要的压力越来越大。

与此同时，我们看到分子运动得越来越快。为什么？因为每一次碰到移动着的活塞时，分子就会获得额外的动量和能量（来自往下推活塞的手），反弹的速度比碰撞前的速度更快。有人可能认为这个过程没有什么影响，因为我们可以非常缓慢地推活塞。的确，这样做每次碰撞时传递给分子的能量会越来越少，但要把体积缩减到同样的程度，需要的时间会更长。因此，随着碰撞效率下降，碰撞次数会以同等的比例上升。也就是说，分子的平均增速只取决于体积的减小，而与活塞的速度（体积减小的速度）无关。

压缩空气的过程做了功，换来的是分子速率的增加。现在，这些分子运动的真正意义是显而易见的。它们代表热量。正如我们所知，压缩泵在工作时会发热。

加热意味着大规模的机械运动转换成不可见的分子运动，这不仅限于加热空气或其他气体，也包括加热液体和固体。“不可见”这个词并没有什么特殊的含义。重点在于，分子的热运动是“随机”发生的，它太随机了，以至于不能完全归结为有用的有序运动。例如，蒸汽机的效率很少能达到可怜的30%。分子并不像一群理解命令并按计划协作执行的工人（图10），而是像一群绵羊，即使在牧羊犬的帮助下，牧羊人也很难控制它们（图11）。那位驱使着“眼瞎耳聋”的分子以疯狂而无意识的运动驱动机器的工程师，他实在有理由为自己感到骄傲。

图10

图11

宇宙的微观世界是永不停息的，这是个非常实质的问题。或者说，它清楚地表明，什么是实质，什么不是实质。因为正是在这里，人类的聪明才智土崩瓦解。无论多么伟大的人来建造机器，都永远不可能超越分子运动的偶然性所允许的效率极限。他所能做的，就是准确解释能量损耗的原因。在现代的热学理论中，这是通过统计方法实现的。统计方法适用于我们必须处理大量随机事件的时候。这是我们现在要讨论的问题。