熱力學第二定律,至今還有值得思考的地方,你認為呢?

2020-12-12 國學大觀

導讀：本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是確定的，但世界的確定性不是我們能把我的。

熱力學第二定律，至今還有值得思考的地方，你認為呢？

熱力學第二定律：不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。【克勞修斯表述】

熱力學第二定律:不可能製成一種循環動作的熱機，從單一熱源取熱，使之完全變為功而不引起其它變化。【開爾文表述】

熱力學第二定律：孤立系統的熵永不自動減少，熵在可逆過程中不變，在不可逆過程中增加。【熵增加原理】

還有其他表述，我就不寫出來了。重要的事，這個熱力學第二定律，至今還有值得我們思考的地方。

我簡單的說3個問題，我想到的問題：1、就是路德維希·玻爾茲曼認識到的問題：他指出如果能把所有分子的微觀運動同時反向，則確實可以回到初始狀態；然而在實際中這種可能性幾乎為零，絕大多數狀態都是平衡態，因此在宏觀統計規律上表現為熵總是增加的。也就是說，熱力學第二定律是一條機率的定律，它的結論不能由一條動力學方程來檢驗。看完下面的內容，你會知道最後是統計力學方程來運算的。但是其實本質回答，還不究竟。 本質上它還是「機率」定律。值得一提的事，玻爾茲曼本人因為研究此理論，不被認可，飽受爭議。後來上吊自殺。這段歷史，讀來讓人垂淚。

2、由於熵增加原理，必然涉及到系統問題。即封閉的，還是開放的。所以我的問題是宇宙是封閉的，還是開放的。這個真的很要命。熵增加原理是熱力學第二定律的又一種表述，它比開爾文、克勞修斯表述更為概括地指出了不可逆過程的進行方向；同時，更深刻地指出了熱力學第二定律是大量分子無規則運動所具有的統計規律，因此只適用於大量分子構成的系統，不適用於單個分子或少量分子構成的系統。那麼我問問題了，熱力學第二定律，到底哪種表述是最究竟的，最靠譜的。大的方向就是有近似的封閉的系統，沒有絕對的封閉系統。這意味著什麼？意味者該理論不純粹！

我在《變化》中反對過去年最火的一個新聞「韋爾蘭德熵引力假說」，就是基於此點考慮。請學者們深思。

3、很多人用熵增加原理，來表述「時間的方向」一直向前。我也做過具體的思考，認為不可靠。科學家就此思考。具體我在《變化》中，關於時間是真實存在的論述中，有提到。

在這裡我提出這三個問題，是因為熱力學第二定律，上過初中的朋友都知道，都學過，所以有可以廣泛展開討論的條件。大家有沒有新的認識？可以留言互動。思考總是一件美好的事情。祝大家思考愉快。

左圖為：詹姆斯·麥克斯韋

最早嘗試建立分子運動論的人是瑞士數學家歐拉，他於1729年曾假設空氣由大量旋轉的球形分子構成，並且在任意溫度下分子速率都相同。從這個假設出發他推導出氣體壓強和密度成正比，也就相當於在理論上證明了波義耳定律。

而荷蘭-瑞士物理學家丹尼爾·伯努利在1738年出版的《水力學》一書中，認為氣體中存在大量沿不同方向運動的分子，這些分子對容器表面的衝擊效應構成了宏觀上的氣體壓強，他同樣從分子運動得到了更具普遍意義的壓強公式。然而這些觀點在當時並未被接受，原因之一是在當時能量的轉化與守恆定律還沒有廣為人知。這種情況一直持續到1856年，德國化學家奧古斯特·克羅尼格創建了一個簡單的氣體分子平動模型，由此可以導出理想氣體狀態方程。

1857年，克勞修斯在獨立於克裡尼希理論的情況下，用自己的語言建立了一個相似但更為複雜的分子運動理論，這裡不但考慮了氣體分子的平動，同時還考慮了轉動和振動。在這一理論中克勞修斯引入了研究分子運動論的統計思想，建立了氣體分子的平均自由程這一概念。不過，克勞修斯的理論只是使用了分子的平均速率，沒有考慮到實際氣體分子的速率實則呈現出一個分布函數。

靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》電子版在靈遁者淘寶有。

1859年，英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋在閱讀了克勞修斯的論文後，在論文《氣體動力理論的說明》一文中建立了氣體分子速率的麥克斯韋分布，這一分布函數描述了在特定速率範圍內分子數量所佔比例。這一定律是物理學中第一個基於統計規律的物理定律，可以說是一個重要的時刻。

左圖為路德維希·玻爾茲曼

在麥克斯韋發表分子速率分布理論之後，奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼受其啟發開始了對分子運動論的研究。他指出分子運動理論必須依靠統計手段來建立，並通過修訂麥克斯韋分布於1871年得到了氣體分子在勢場中的速率分布函數，這被稱作玻爾茲曼分布或麥克斯韋-玻爾茲曼分布，是經典統計力學中最基本的分布函數。

1872年，玻爾茲曼在論文《氣體分子熱平衡的進一步研究》中證明，非麥克斯韋分布的氣體分子隨著時間的推移必將趨向麥克斯韋分布，這也就是所謂H定理，是熵增原理在非平衡態下的推廣。

H定理指出了過程的方向性，從而引出了所謂「可逆性佯謬」的爭議：微觀上分子的碰撞是可逆的，為何宏觀上的整體效果卻是不可逆的？玻爾茲曼針對這個問題研究了熱力學第二定律的統計詮釋。

他指出如果能把所有分子的微觀運動同時反向，則確實可以回到初始狀態；然而在實際中這種可能性幾乎為零，絕大多數狀態都是平衡態，因此在宏觀統計規律上表現為熵總是增加的。也就是說，熱力學第二定律是一條機率的定律，它的結論不能由一條動力學方程來檢驗。

玻爾茲曼證明了熵和系統的熱力學概率的自然對數成正比，這成為了玻爾茲曼熵的定義。熱力學第二定律在統計詮釋下可表述為：「孤立系統的熵對應著系統分子的熱力學概率，並總是趨向最大值。」

我曾經在《變化》中反對韋爾蘭德的關於「熵引力」的假說，其中一點就是韋爾蘭德無法就宇宙系統的開放和封閉做出回答。那麼熵引力就是一個尷尬。

在麥克斯韋和玻爾茲曼引入統計詮釋之前，熱力學始終是基於一組唯象學定律基礎之上的。美國物理學家約西亞·吉布斯在麥克斯韋和玻爾茲曼思想的基礎上建立了統計力學，從而能夠用力學定律和統計方法來從本質上精確描述熱力學定律。

吉布斯的統計力學引入了系綜的概念，並以劉維爾定理作為統計力學的基本方程，求解熱力學宏觀量實則就是求解系綜在相空間中的機率分布（配分函數）。統計力學通過統計詮釋建立了熱力學定律與分子運動論之間的內在聯繫，至此成為物理學中又一個完備的理論體系。

摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》

相關焦點

  • 熱力學第二定律的來源
    大家好，歡迎收看我的百家號小林看天下事，今天小編要給大家的介紹的是熱力學第二定律的來源。熱力學第二定律熱力學第二定律用物理學的語言告訴我們,沒有什麼是永恆的。它指出,可以做功的能量會越來越少,這一過程雖然緩慢,卻確實存在。不管是冰箱的運轉,還是宇宙黑洞的物理規律,都遵循熱力學第二定律。有些宇宙學家甚至在思考,這一定律會不會帶來宇宙的終結。
  • 《我對熱力學第二定律的看法》
    可是，說出來也沒有人理你，沒人把你當回事。其實這個熱力學第二定律，到達的「熱寂」，我是不贊成這一理論的。宇宙無限循環，生生不息，怎麼會「熱寂」死亡呢？第二定律認為熱量從熱的地方流到冷的地方，對任何物理系統，這都是顯而易見的特性，毫無神秘之處。
  • 第四節 熱力學第二定律
    2播放視頻過程你要及時點擊暫停鍵梳理筆記，不懂的地方可以回播反覆觀看學習，這樣學習才會有效果。3微課習題及課後練習題都需要你認真完成。(2)熱力學第二定律的兩種表述的理解．【解析】由熱力學第二定律的開爾文表述可知A對．熱機效率總低於100%，B錯．滿足能量守恆的過程未必能自發進行，任何過程一定滿足熱力學第二定律，C錯．由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不一定大於0，即內能不一定增加，D錯．
  • 熱力學第二定律
    ②原因：違背了熱力學第二定律，但沒有違背能量守恆定律4．熱力學第二定律①兩種表述：Ⅰ．不可能使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化．，下列說法正確的是A．熱力學第二定律是通過實驗總結出來的實驗定律B．熱力學第二定律是通過大量自然現象的不可逆性總結出來的經驗定律C．熱力學第二定律是物理學家從理論推導得出來的結果D．由於熱力學第二定律沒有理論和實驗的依據
  • 進化與熱力學第二定律矛盾嗎?
    熱力學中的熵認為宇宙正在變壞，而進化論則認為宇宙正在變好，誰能解釋一下這個矛盾。很多人提出這個矛盾來試圖證明進化是不可能的。然而，提出這個想法的人是因為對熱力學第二定律的錯誤理解，實際上，進化論與任何已知的物理定律都沒有矛盾。
  • 思維模型30 - Second Law of Thermodynamics|熱力學第二定律
    我認為，熵增定律——熱力學第二定律——在自然界的定律中具有至高無上的地位。如果你的理論被發現違背了熱力學第二定律，你就一點希望都沒有，結局必然是徹底崩塌。 —— 愛丁頓爵士一個生命有機體在不斷地產生熵——或者可以說是在增加正熵——並逐漸趨向於最大熵的危險狀態，即死亡。要擺脫死亡，就是說要活著，唯一的辦法就是從環境中不斷地吸取負熵。
  • 熱學 | 熱力學第二定律
    課程：熱學主題：熱力學第二定律1 可逆過程一個系統由某一狀態出發，經過某一過程達到另一狀態，如果存在另一過程，它能使系統和外界完全復原，則原來的過程稱為可逆過程一切不可逆過程都可以利用熱力學第二定律來說明過程進行的方向：「用任何方法都不可能使系統和外界完全復原」等價於「任何一種可能的將系統和外界完全復原的方法都違背熱力學第二定律」。2 熱力學第二定律熱力學第二定律是關於自然過程方向性的定律。開爾文表述和克勞修斯表述是等價的。
  • 熱力學第二定律不是「天經地義」的「鐵律」
    熱力學第二定律的實質就是：熱量只能自發地從高溫向低溫順向流動，而從來不反流。如果發現了熱量「反流」的事實，熱力學第二定律的實質就被突破了。其實，客觀上存在許多熱力學第二定律的反例：1 .顯然這是違反熱力學第二定律的實例。2 . 用暖水瓶電熱器將暖水瓶中的水燒開,關掉電源後,將電熱器從暖水瓶中取出,,並在冷水中冷卻, 手握的絕緣柄端並不跟著冷卻,反而越來越熱,這又是冷把熱從冷端驅趕至熱端. 顯然這又是一個違反熱力學第二定律的實例。3.
  • 坤鵬論:滿滿哲學味道的熱力學第二定律 它是宇宙級的基本規律
    同時，在學習上，啃點有難度的、能讓人思考的、且存在五十年以上的知識。塔勒布提到的林迪效應，真的非常有道理。今天，坤鵬論繼續分享對於熱力學第二定律的學習。熱力學第二定律，以抽象、難以理解著稱。二、永動機2.0熱力學第一定律橫空出世後，許多人恍然大悟，原來永動機1.0根本就是違反該定律的，能成功才怪！但是，如果永動機符合熱力第一定律呢？
  • 熱力學第二定律是史上最大悖論?
    熱力學第二定律指出，宇宙將趨於高熵狀態。如果事實如此，那麼當宇宙中所有的物質處於混亂狀態時將會發生什麼？物質還如何守恆呢？讓我們從第二個問題入手。物理學家往往傾向於說能量是守恆的，而不是說物質守恆。在相對論中，我們可以將一個（物體或能量）轉換為另一個，在此過程中能量永遠守恆。
  • 以熱力學定律的名義
    這段話說的是：　　「我曾經多次參加過一些聚會，與會者根據傳統文化的標準都被認為受過良好的教育，並且他們一直興致勃勃地對科學家沒有文化修養的現象表示難以置信。有那麼一兩次，我被激怒了，問與會者他們當中有多少人能夠描述熱力學第二定律。他們的反應很冷淡，回答也是否定的。然而，我所問的問題，在科學領域其程度相當於問：你們讀過一本莎士比亞著作嗎？」　　然而時代畢竟不同了。
  • 熱力學第二定律,揭示出自然法則,或許暗示了人類的結局!
    熱力學第二定律，揭示出自然法則，或許暗示了人類的結局！人類誕生以來，就經歷了各種各樣的文明時代，從原始的採獵生活，到有了分工和階級的氏族，人與動物最本質的區別，其實是人類不必像其他動物那樣，遵循著「物競天擇」的法則。
  • 熱力學第二定律(熵增加原理)
    什麼是熱力學第二定律討論熵之前，我們還需要在知識上做一些準備，本文重點在於介紹熱力徐第二定律。
  • 熱力學第二定律背後的秘密,你不知道的!
    熱力學第二定律告訴我們，在一個孤立系統中，物質和能量的分布只會走向越來越平均，系統秩序只會越來越無序。由於宇宙空間被看作是空無一物的，萬物都是孤立在空間中的，因此，整個宇宙都在走向滅亡。認識了物質的本性，就知道熱力學第二定律是由物質的本性造成的，物質的本性就是緊張、反抗，不斷擴大自己的勢力範圍，正是有了這種本性的存在，空間中的物質都有一種走向平均化的趨勢。能量是物質緊張程度的一種描述，自然也是走向緊張程度的平均化。這也就是說，能量是不會消失的，即使是在封閉的系統內，可能量是以一種什麼樣的形式存在的呢？
  • 解讀|熱力學第二定律,給我們帶來巨大的指導意義!
    它不是只描述現象（克勞休斯表述法），也不是想著怎麼去技術改進（開爾文表述法），而是真正嘗試去解釋，這種客觀規律的根本原因，因此，它的適用性一下子擴展到了相當多的領域。熱力學第二定律討論熵之前，我們還需要在知識上做一些準備，本文重點在於介紹熱力學第二定律。在介紹之前，我們先來了解一下熱力學過程中的不可逆過程。
  • 熱力學第二定律要被科學家實驗推翻?麥克斯韋妖要出現才對
    熱力學第二定律這條定律可以說是這個宇宙鐵的不能再鐵的鐵律了，所以熱二定律被推翻，不存在的，至少本世紀看不到希望。我們的宇宙最終會變成一團漿糊其實這個實驗不僅沒有推翻熱力學第二定律，反而麥克斯韋妖可能要找到了。
  • 由「熱力學第二定律」想到的
    今天看到了一個新名詞「熱力學第二定律」，這好像以前在高中物理書上學到過，只可惜年歲漸長，知識卻慢慢還給老師了。「熱力學第二定律」，意思是說一個孤立的系統會自發地朝著一個熱平衡狀態去演變，這個熱平衡狀態即最大熵。
  • 熱力學第零定律
    熱力學裡面除了三大定律之外，還有第0定律。
  • 物理熱學史宏觀:熱力學三大定律
    俄國科學家赫斯認為「不管用什麼方式完成化合，由此放出的熱量都是恆定的。」後面經過各方面實驗驗證，於1840年3月提出一個普遍的原理：「當組成任何一種化學化合物時，往往會同時放出熱量，這熱量不取決於化合是直接進行還是經過幾道反應間接進行」。至此，能量守恆定律初步形成。
  • 熱力學第二定律被打破:打造永動機或成為可能
    （圖註：從最小原子的產生到遙遠黑洞的崩潰，一切都受熱力學定律的控制。熱力學第二定律從根本上為宇宙存在時間設定了極限，闡明了宇宙中的萬物為什麼終有一天會衰敗。）熱力學四大定律是我們宇宙的基本物理規則之一，19世紀中期由物理學家和工程師共同提出，他們希望這些定律有助於提高蒸汽機的效率。該定律解釋了溫度、能量和熵如何共同作用，創造和摧毀物質。宇宙中一切運動，從最小原子的產生到遙遠黑洞的崩潰，都受這四條定律的控制。熱力學第二定律解釋了系統內能量如何轉化，從有效能量轉化為無效能量。