mingmu888 / 量子潘建伟 / 热力学第二定律与熵(后话)

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2018-01-11  63沙龙娱乐
再说说熵

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熵最普遍的意义就是描述混乱度。混乱度大熵就大,混乱度小熵就小。如同内能(U)与焓(H)一样,熵的绝对值也难以测量,但是它的变化值能在系统状态改变的时候测量出来,我们通常研究它的变化值。

我们生活中可以找到很多熵增的证据。

摩擦力就是一个很好的例子,任何机械的效率都不能达到100%,机械功不可避免的通过摩擦转化为热。机械功是有方向的,是有序的;热是分子的无规则运动,是无序的。

扩散现象也是这样。把红墨水滴入清水里,红色会扩散,直到颜色均匀。炒菜加的盐,会扩散到食物里。这也是从有序到无序的现象。

上一期我们从热力学的角度出发,推演了“熵”这个概念的由来,并且从微观的角度给出了S = k lnΩ这个著名的公式(这个公式的地位与联系运动学和力学的F=ma,联系质量和能量的E=mc2不相上下)。很多读者表示难以理解,的确,熵源于热力学中的一个比值,却超越了热力学。今天我们抛开晦涩难懂的热力学,继续聊聊熵(聊聊人生)。

一切时代的结晶,一切信仰,一切灵感,一切人类天才的光华,都注定要随太阳系的崩溃而毁灭。人类全部成就的神殿将不可避免地会被埋葬在崩溃宇宙的废墟之中——所有这一切,几乎如此之肯定,任何否定它们的哲学都毫无成功的希望。唯有相信这些事实真相,唯有在绝望面前不屈不挠,才能够安全地筑起灵魂的未来寄托。

——Bertrand Russell

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被拒绝接受的现实
质疑、争论

随着热力学第二定律和熵增定律的提出,科学家认清一个可怕的事实。热和功在热力学第一定律中被成功统一,但在第二定律中又划分出了清晰的界限。一方面热和功的数量可以相同,但是“品质”并不相同。功转化成热是无条件的,而热转化成功是有条件的。另一方面存储在高温物体中的能量和存储在低温物体中的能量从数量上相同,但是它们的“品质”不同。能量的总值虽然不变,但由于熵的增加,在系统工作时,一部分能量丧失了做功的能力,被贬值退化,称为能量的退降。

Clausius在熵增加原理的基础上,提出:宇宙可以看成是一个孤立系统,那么宇宙的熵值是在不断增大的,当宇宙的熵达到最大时,达到整个宇宙的热平衡状态,即宇宙各处温度相等。这一推论被称为“热寂说”。Kelvin在谨慎地限定宇宙为有限体系,提出了如果宇宙将服从热力学第二定律,那么将不可避免出现宇宙静止和死亡的状态。于是热力学第二定律在整个科学界甚至哲学领域引发了一场旷日持久的争论。

整个科学界都炸锅了,如同今年10月8日整个娱乐圈炸锅一样。熵增加原理被推上了风口浪尖,科学家纷纷提出反对,甚至被评为最糟糕和悲观的理论。Maxwell(麦克斯韦)表示非常不服气,他在1871年设计了一个假想的存在Maxwell demon(麦克斯韦妖)来挑战热力学第二定律,并困扰了科学界一个多世纪。接着Boltzmann运用统计学原理提出“涨落说”,认为平衡态附近会存在偶然的波动,从而反对宇宙的热寂。虽然Boltzmann提出了著名的Boltzmann公式,但是他的一些工作在当时并不被一些科学家所认可,以至于他最终心情压抑而自杀。

然而,越来越多的证据显示出熵增加原理的正确性,它的推论:热寂说,也在继续酝酿着科学界的不安。

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