熱力學第二定律告訴你:1+1>2!和你的常識不一樣?

2020-12-03 李論科學

熵可以用來測量一個系統的無序程度,熵也是一種世界觀!常識告訴我們,如果不進行外加幹涉,事物總是傾向於增加它的無序度(比如你可以停止打掃你的房間,你會很快發現房間變得亂糟糟)人們可以從無序中創造出有序來(例如你可以花一天時間打掃你的房間),但是必須消耗精力或能量,因而可以得到的有序能量也就減少了。

著名的熱力學第二定律便是這個觀念的一個準確描述。熱力學第二定律的內容包含以下內容:不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響;不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響;不可逆熱力過程中熵的微增量總是大於零。熱力學第二定律體現了客觀世界時間的單方向性,這也正是熱力學的特殊性所在。

這個定律裡最後一點指出,一個孤立系統的熵總是增加的,永遠不會隨著時間而減少。並且將兩個系統連接在一起時,其合併系統的熵大於所有單獨系統熵的總和

例如,我們可以設想含有一盒氣體分子的系統。分子可以認為是不斷互相碰撞並不斷從盒子壁反彈回來的彈力球,它們會互相碰撞,也可以從盒子的壁上彈回來。氣體的溫度越高,分子運動得越快,這樣它們撞擊盒壁越頻繁越厲害,而且它們作用到壁上的向外的壓力越大。假定在這個系統最初的時刻,將所有分子用一塊隔板限制在盒子的左半部接著將隔板除去,這些分子將散開並充滿整個盒子。

在以後的某一時刻,所有這些分子偶爾會都待在右半部或回到左半部,但最大的可能性是在左右兩半分子的數目大致相同。這種狀態比原先分子在左半部分的狀態更加無序,所以人們說熵增加了,也就是無序度增加了。類似地,我們將一個充滿氧分子的盒子和另一個充滿氮分子的盒子連在一起並除去中間的壁,則氧分子和氮分子就開始混合。在後來的時刻,最可能的狀態是兩個盒子都充滿了相當均勻的氧分子和氮分子的混合物。這種狀態比原先分開的兩盒的初始狀態更無序,即具有更大的熵。

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