物理學中的「熵」,如何通俗地解釋?

2020-11-23 艾伯史密斯

「熵」,可以理解為一個系統的混亂程度。

簡單地舉個例子,一幼兒園中班,有30人和40把凳子:

(1)開學第一天,老師說「大家可以任意選擇凳子坐」,那麼對於這個班級的學生排座來說,老師完全無法預測誰坐哪,也不知道哪把凳子會空著或者被人坐了,於是此時「排座」這個系統最為混亂,即「熵」達到最大值;

(2)開學第二天,老師加了一個條件「第一排必須坐滿人」,於是對於這個系統來說,相比前一天混亂程度降低了,因為老師可以預測第一排都是滿的;

(3)開學第三天,老師給每個學生進行了排序,每個學生對應唯一的座位,那麼對於這個系統來說,混亂程度是最低的,即「熵」達到了最低值;

同樣,在物理學中,宏觀物質都由微觀粒子組成,把上面的學生換成微觀粒子,把排座位換成微觀粒子的物理特徵(比如運動速度、能量、位置、偏振方向等等),那麼熵就代表這些物理量的有序度。

「熱力學熵」的概念,最早由物理學家玻爾茲曼提出,並建立了「熵」和「熱力學溫度」之間的關係,描述了系統做功和熵變之間的聯繫。

"熵「的概念,還在計算機領域、信息技術領域、生物學領域等等,幾乎每個科學學科都有應用,已是現代科學中運用廣泛的基本概念。

關於熵的概念,有一條原理——熵增原理:指孤立熱力學系統的熵,不會自發減少,總是增大或者保持不變,公式ΔS≥0。

這是一條極其重要的物理定律,利用它可以推導出熱力學第二定律,但熵增原理的適用範圍,遠比熱力學第二定律廣得多,而且還對哲學的影響意義重大。

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