「熵」究竟是個什麼東西?宇宙為何要遵守熱力學第二定律?

2020-11-23 籠子裡的平田君

導讀:我們知道,宇宙萬物都有其運行的規則,比如我們所熟知的萬有引力,以及電荷之間的作用力等!然而科學家們發現,在這些規則中,有一條規則尤為重要,這就是著名的熱力學第二定律,也就是我們所謂的熵增定律!

關於熵的問題,想必許多人都聽到過這個字,但卻不了解其中的意義,事實上,在物理學上,熵這個概念的形成也經歷了許多時間!

熵是什麼?

基於熱力學第二定律的基本表述,我們可以知道,熱量只會有高溫物體傳遞到低溫物體,並不會自發地從低溫物體傳遞到高溫物體!這是一個衡量常識的問題,所以最開始的時候,科學家們並未認識到熱力學第二定律的可怕之處。

熱力學第二定律

然而隨著科學的逐步發展,人們逐漸發現了熱力學第二定律也許揭示了宇宙最為本質的東西。1865年,德國物理學家克勞修斯首次提出了熵的概念。最開始的時候,熵在物理學上指熱能除以溫度所得的商,標誌熱量轉化為功的程度。然而隨著科學的不斷發展,人們逐漸為熵賦予了新的意義——事物的無序度!而熱力學第二定律正是揭示了宇宙的這種無序度。

我們可簡單做一個比喻,比如你有1000塊積木,無論這1000塊積木如何堆放,其熵都是固定的,因為它們之間擁有的可能性是一樣的!但如果你打算用這些積木去堆成一個城堡,那麼作為城堡的熵就要比積木低很多,因為用這1000塊積木堆成可以認為是城堡的形狀並不多。

宇宙的熵

也就是說,對於宇宙萬物而言,越是規整的物體其熵值就越低,而越是雜亂的物體其熵值就越高!

為什麼說熱力學第二定律揭示了宇宙的本質呢?

根據科學家的觀察,宇宙的熵值是在不斷增加的,這是無法改變的結果,而宇宙中所有物體蘊含的規則便是要保持宇宙的熵增!也就是說,熱力學第二定律表述的溫度只能從高溫物體傳遞到低溫物體,其本質便是保持宇宙的熵增,如果從低溫物體傳遞到高溫物體,這樣的過程會導致宇宙熵值的下降,所以是違背宇宙規律的。

宇宙萬物運轉的規律

當然,也有方法將溫度從低溫物體傳遞到高溫物體,但這是在強行扭轉宇宙規律,雖然能夠做到,但並非自然現象,所付出的代價會導致宇宙熵值的增加。所以,對於宇宙本身而言,即使你逆轉了溫度傳遞的規則,但宇宙整體的熵值還是會增加的,因為你為了逆轉規則採取的其它行動導致了宇宙的熵增!

宇宙的熵為什麼會不斷增加?

目前為止,科學家尚未有明確的理論來解釋宇宙的熵為什麼會不斷增加,但毫無疑問,這是一個不爭的事實!

我們可以舉個例子,假如一間房子無人居住,很快便會被會產覆蓋,內部的家具也會慢慢被腐蝕,也就是說,隨著時間的發展,這間屋子的熵值會慢慢增加!但如果有人去打理這間房子,那麼就會延緩這種熵值增加的速度,但是打理的行為卻在另一層面上導致了宇宙熵值的增加。

宇宙的熵值在不斷增加

所以,有些科學家甚至認為,宇宙的熵增速度是固定的,並不會因為任何事情的發生而有所改變!

宇宙的熵增會導致什麼結果?

既然無論我們做什麼,宇宙的熵值永遠都在增加,那麼,會不會在某一天,熵值會迎來一個極限?那個時候宇宙將何去何從呢?

有科學家認為,宇宙的熵增是暗物質作用的結果,其主要表現形式便是宇宙本身的膨脹,隨著宇宙本身的膨脹,宇宙空間的增大才導致了宇宙的熵增!而宇宙也會在膨脹到極限,也就是熵增到極限之後開始收縮,於此同時宇宙的熵值便會下降,直至宇宙收縮回一個奇點,而熵值變為零,等待下一次大爆炸的開啟!

宇宙奇點

也有科學家認為宇宙的熵值在增長的極限後,迎來的將是宇宙的毀滅,因為熵值的極限就意味著整個宇宙都處於一種無序度狀態,換而言之,就是宇宙內部一片混沌!而這種狀態持續下去,便是宇宙的毀滅。

熵增可能會讓宇宙變成混沌

當然,目前為止,宇宙依然在膨脹,熵值也無時無刻不在增加,至於何時才會到達極限,相信沒有人會知道!

相關焦點

  • 熱力學第二定律與熵(後話)
    ——Bertrand Russell隨著熱力學第二定律和熵增定律的提出,科學家認清一個可怕的事實。熱和功在熱力學第一定律中被成功統一,但在第二定律中又劃分出了清晰的界限。一方面熱和功的數量可以相同,但是「品質」並不相同。功轉化成熱是無條件的,而熱轉化成功是有條件的。
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    熱力學三大定律第一定律:能量是守恆的,可以互相轉化(比如機械能轉化為電能),而不會消失。天平的兩端相平衡;第二定律:然能量可以轉化,但是無法100%利用。在轉化過程中,總是有一部分能量會被浪費掉。考慮到宇宙的能量總和是一個常量,而每一次能量轉化,必然有一部分」有效能量」變成」無效能量」(即」熵」),因此不難推論,有效能量越來越少,無效能量越來越多。直到有一天,所有的有效能量都變成無效能量,那時將不再有任何能量轉化,這就叫宇宙的」熱寂」(Heat Death)。所以,熱力學第二定律的一個重要推論就是:熵永遠在增加。
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    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。
  • 進化與熱力學第二定律矛盾嗎?
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    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。
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    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。
  • 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。
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    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。
  • 為何生命最終都會走向死亡,宇宙的終極到是什麼?是熵增定律嗎?
    為何所有生命最終都會走向死亡?其實,不僅僅是生命,地球乃至整個宇宙,都是向死而生的,這是宇宙的基本定律,宇宙的終極究竟是什麼?,所謂的熵,是熱力學中表徵物質狀態的參量之一,用符號S表示,其物理意義是體系混亂程度的度量,說的簡單一點,就是熵可比喻混亂度,其實,熱力學第二定律中已經指出,所有的事物最終都會趨於「熵」的最大化,或者說,倘若不施加壓力的影響,事物永遠會向著更混亂的方向發展,比如,雲彩為何易散等問題。
  • 熱力學熵:克勞修斯
    但既然玻爾茲曼熵也是熵,那麼就一定和克勞修斯熵滿足同樣的熵增定律。實際上這非常容易理解,即使最開始我們把小球排列好,經過不斷的震動,它也要趨於混亂,也就是熵更大的情況。如果把這些小球想像成微觀粒子,或者大部分男性衣櫃中的衣物,也能得到相同結果。所以,玻爾茲曼熵對熱力學第二定律的統計解釋就是:孤立系統總是朝著混亂度增加的方向運動。這真是太直觀了!
  • 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。或者更確切地說,新陳代謝中的本質的東西,乃是使有機體成功地消除了當它自身活著的時候不得不產生的全部的熵。——《生命是什麼》薛丁格熱力學第二定律(熵增)真是深刻的讓人不寒而慄。還可以用來解釋以鄰為壑。
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  • 《我對熱力學第二定律的看法》
    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。就最廣泛的意義而言,第二定律認為宇宙的「熵」與日俱增。
  • 熵:一個傷心傷神的定律!
    熵,描述了像宇宙那麼大,或者像裝滿咖啡的保溫瓶那麼小的系統中,無序是如何發生的。你不能輕易地把牙膏放回牙膏管子裡。你不能指望蒸汽分子自發地遷移回來形成水球。這些都是與熱力學第二定律(也稱為熵定律)相關的問題。
  • 宇宙中的「熵」到底是什麼?又是什麼能量控制著「熵」?
    為何生命最終都會走向死亡?這是一個每個人都知道,卻又不知道的問題。其實,不僅僅是生命。地球,乃至整個宇宙都是向死而生的,這是宇宙的基本定律。誰,都無法改變。曾有很多人有過這樣的疑問:「宇宙的終極到底是什麼?」其實沒有人知道,或許是在可觀測宇宙之外還有更大的宇宙。又或許有多元宇宙的存在,還有很多人認為,我們所處的宇宙僅僅是一個小的不能在小的細胞。而人類乃至地球連一個細菌都算不上。但如果按照科學家的理論來講,宇宙的終極或許就是一個叫做「熵」的東西。
  • 熱力學第二定律與熵(前語)
    嚴格的熵的定義是由Carnot定理得出的。在Carnot定理中一個可逆循環可以看成由無數個Carnot循環組成,則在這個可逆循環中Clausius定義了一個新的狀態函數稱為熵(entropy),用「S」表示,單位為J/K。
  • 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。
  • 熱力學傳奇之九:死神來了,第二定律扼殺了宇宙的未來
    自從克勞修斯和開爾文爵士分別獨立提出熱力學第二定律以來,就已經宣告了第二類永動機不可能建成,但是諸位民科大神依然趨之若鶩,就是現在也經常有新聞報導某位民間大神研製成功第二類永動機,這是因為熱力學第二定律從根本上說還只是經驗的總結,並不是嚴格的物理學定律,其表述又明白如話,這讓民科大神們能自以為看明白了。
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