當瘦母牛吃掉肥母牛
——論熱力化學
一、焓的觀念
人經常把所遭遇的事情做成鮮明兩面的區分，不是好就是壞，不是幸運就是歹運，不是光明就是黑暗，不是快樂就是悲傷，不是成功就是失敗……科學家一開始也把化學反應，分成吸熱反應或是放熱反應，但又發現無論是吸熱或放熱反應，都對地球上的生命產生莫大的好處。
十九世紀的化學家花了許多時間在思考：「化學反應為什麼會發生？」這個問題。當石頭在滾動時，背後一定有「推動的力量」；當蓮霧從樹上掉下來，一定是受到地心引力的影響；老鷹在天空展翅高騰，是受到熱氣上升力的幫助；這些現象都有一個共同的特徵，就是明顯的有力量在推動。但是推動化學反應的是什麼力量呢？如果不瞭解何種力量在推動，就無法回答為何化學反應會發生？這個問題的思索產生了「熱力學」（thermodynamic）的理論。
德國的化學家烏利克(Hermann Ullich, 1895－1945)提出「焓」（enthalpy）的概念，來解釋化學反應的進行。由於大部份的化學反應是在一定的空氣壓力下，或一定的高度下進行，所以他定義焓，是在一定空氣壓力下化學反應的「熱」（heat）。
他根據焓值，發現有的化學反應會釋放熱量，使周圍的溫度提高，他稱此為「放熱反應」(exothermic)。也有反應進行時會吸收能量，使周圍的溫度降低，他稱此為「吸熱反應」(endothermic)。他提出，如果外界沒有提供足夠的能量，自然界的化學反應都是放熱反應。
放熱反應是顯而易見的，例如燃燒汽油就是放熱反應，汽車不過是用汽油所釋放的熱量去推動引擎，帶動車輪轉動。普世最常用的交通方式，竟然是維繫在汽油的放熱，難怪提煉汽油的原油會成為各國勢在必取的東西。
原油的組合是古代的植物經過地殼的激烈變動，被掩埋在缺乏氧氣的地方，植物體內有機質所產生的質變。
因此燃燒汽油的能量，是來自早期的太陽。能量彷彿地下水一般，原來古代有些太陽能量，經光合作用，仍一直藏在地下，到近代才流出來。誰說近代的工業革命，全是近代的貢獻呢？
二、熵的觀念
公元一千七百年前，埃及法老王作了一個夢，夢見有七隻母牛從尼羅河上來，每隻母牛又胖又好看，安靜地在河邊吃草；後來又從河裡上來七隻母牛，每一隻母牛又瘦又難看，瘦母牛不安靜地吃草，反去吃肥母牛，結果瘦母牛不僅吃掉了肥母牛，而且長得與原先一樣瘦。
這一段瘦母牛吃掉肥母牛的有趣記載，是取自聖經創世記四十一章14～21節。照一般人的經驗，當胖子與瘦子在摔角時，是胖子壓倒瘦子；在股票市揚裡，是有錢的大戶吃掉小額投資的散戶；在政治圈裡，是票數多的政黨奪下票數少的政黨政權；怎麼會有瘦的吃掉肥胖的？而且吃了以後又像沒吃般？法老王的這一個夢，在一般人的經驗裡，實在不好解釋，難怪當時的術士都解不出來。
不過在化學世界裡，的確是如此。原子排列整齊的礦物，會逐漸溶解成四處亂撞的離子，除非到了過飽和濃度，否則離子不會沈澱再成固體；結構緊密的木頭，遇到火後，會燒成一堆鬆散的灰燼，但不會變成植物。
自然界的反應，似乎依循著一個固定的方向在進行，由有秩序向著沒秩序方向進行，整齊朝向混亂。猶如一個撞球，撞到排成錐形的球堆上，球會四散，但除非有人介入將球重排成堆，否則分散的球不會自己重新排回原狀。所有生物長到一個階段，就會衰老、死亡，除非上帝賜人新生命，否則人無法重生。
一八五○年，德國的物理學家克勞修斯（Rudolf Clausius, 1822－1888）稱此現象為「熵」（entropy）。entropy是en與tropy的合字 ，原意為改變的方向。他提出「宇宙裡的能量雖然不變，但是能量存在的狀態愈來愈混亂。」前半句稱為熱力學第一定律，或能量不滅定律，後半句稱為熱力學第二定律。這是近代科學裡非常重要的理論，同時也宣告出，偉大的帝國最後終必傾覆，幾近完美的電腦必會當機，大自然一切的真、善、美，終必歸於虛無、混沌。
所有的原子在一直互相碰撞之下，逐漸將熱量散失到四周，並且本身的速度愈來愈低，碰撞就愈趨緩慢，溫度就愈低，最後降到-273°C時，此時原子、分子、離子都全停止碰撞，這溫度稱為「絕對零度」。
克勞修斯量化「熵」，是一個系統熱量的流出除以溫度，由於熵總朝向混亂的方向，故又稱為「亂度」。所以熵愈高的系統，溫度愈低，而且愈混亂。若流失許多的熱量，能夠擁有的能量就愈少，那是趨向科學定義的「死亡」。
但在真實的世界裡，樹木仍然在成長、小鳥在唱歌、小孩在奔躍、溪水在流動，生命力依然充斥這個世界的每個角落。關鍵在於仍有能量持續地進入地球的系統裡，包括太陽，非常精準地供給地球生物所需要的能量來源。地球內部的熔漿，也對地面提供若干比例的能量補充，使得千萬年來，這個星球的生命氣息，並沒有歸於死亡。
試問，是誰在保守這個星球，甚至整個宇宙，雖有死亡，但是仍然生生不息？
三、化學反應為何會進行─質量作用定律
政治與科學不相同的地方，是政治要有許多的力權，才能征服一小塊的版圖，而科學是在很平凡的事上，竟然發現開啟許多大自然的奧秘。
球在滾動，是有力量在推動；水份在蒸發，是有熱量在背後提供；磁鐵會互相吸引，是有正、負極的作用；星球會照著固定的軌道運轉，是有萬有引力在吸引。人所能見的大自然變化，並不是偶然的，或突發的，而是背後有自然界的「律」（law）在管理，這是造物者對宇宙的保守。
有些大自然有些變化，不像球、水份、磁鐵、星球等移動性，物體並沒有明顯的移動，前者是屬於「物理」探討的領域，後者屬於「化學」探討的範圍。化學的變化也有基本的「律」在支配嗎？
在十九世紀，挪威有兩位科學家，古樂伯格（Gato Guldberg, 1839-1902）與衛居（Peter Waage），他們相信化學變化之後，「律」仍然像一隻看不見的手，推動物質產生化學變化。在1862年，他們以酒精與有機物質的醚化作用（etherifiction），進行了300次以上的實驗，發現酒精的濃度愈高，與有機質反應的速度愈快，反之，酒精濃度愈低，反應的速度愈慢。
根據這些實驗結果，他們在1864年提出物質的濃度，能推動化學反應的進行，濃度愈高，反應速度就愈快，這理論是正確的，後來稱此理論為「質量作用定律」（law of mass action）。
這個定律的發現仍然無法回答所有化學反應的問題，但是幫助人了解許多大自然的奧妙，例如污染有機質排入河川時，細菌就能快速去分解，因為物質愈多，分解的速度就愈快；當細菌分解有機物時，水中的氧氣也會被使用掉，轉換成二氧化碳，但是空氣中的氧氣與水中的氧氣濃度相差愈多，就有愈多的氧氣自空氣溶入水中，使細菌能夠繼續分解污染質，這都符合化學的「質量作用定律」。
這種現象稱為「自然淨化作用」（natural purification），能保護河川與其中所有的生物，而且是免費地、默默的，持續地在我們周遭進行，真是造物者給所有生物白白的恩典。
四、化學反應的進行曲－哈克特教授給學生的三個問題
數學最有意思的地方之一，是看似持續變化的化學反應，竟然用數學的線條可以準確的穿串化學實驗的數據。
科學的進步，像是接力賽，一棒又一棒的傳遞下去。1862年，古樂伯格提出化學反應的速率與反應物的濃度有關。英國牛津大學的教授哈克特（Augustus Vernon Harcourt, 1835-1919）接著認為「有關」是很籠統的字眼，應該進一步精確的敘述。這也顯示科學家是理想主義者，總想把事情釐清，把朦朧不明處弄清楚。
為了精確，哈克特將數學引進化學，他用過氧化氫（H2O2，雙氧水）與碘化鉀（KI）反應，可以產生碘（I2）與水為例，以過氧化氫濃度在時間的反應變化，稱為「反應速率」（reaction rate），在反應開始時的濃度，稱為「初始濃度」（initial concentration），現今普世的化學課本皆用這兩個名詞。
碘在澱粉之下會呈現藍色，這是一個很容易觀測的實驗。哈克特教授在1867年所編的教材裡，問了學生三個問題：(1)用數學裡積分的方法去求初始濃度在時間上的變化率，(2)比較這變化率與初始濃度的關係，(3) 溫度對於變化率的影響。
這是一個有趣的小插曲，這麼重要的研究竟然不是發表在研究報告上，而是出現在學生的習題上。這三個題目，是化學反應動力論最重要的三個論點：化學反應的變化率積分能夠準確量化，與初始濃度呈正比的關係，且受到溫度的影響，後來科學史就稱化學反應動力論，為「哈克特動力論」（Harcourt kinetics）。
化學反應受到溫度的影響，所有生物體內的化學反應也沒有例外，因此生物的存活皆有賴合適的溫度，溫度太高或太低，都會改變生物體內的化學反應速率。有些生物會作穴、築巢、建屋忍受一些溫度的變化，但是適應的溫度範圍非常有限，太熱與太冷都將使生物無法生存。
因此，地球剛好的合適溫度範圍供生物存活與適應。人類化學知識愈多，愈能體會大自然的奇妙。迄今，化學仍不斷地向人邀約，往前挖掘吧！
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