熵與熱力學第二定律（上）

作者：胡桃夾子工作室

審稿專家：周曉亮（北京交通大學物理學實驗室 高級工程師）

你有沒有想過為什么屋子不收拾，時間長了就會亂？為什么每天課間操，排列隊伍是一個非常麻煩的過程，做完操后散場卻非常快？

你可能想不到，這背后的道理，竟然可以用一個看起來十分簡單的物理概念來解釋？

# 熱力學第二定律

“熵”是一個十分復雜的概念，要弄清楚它，我們首先要知道另一個概念“熱力學第二定律”。

熱力學是物理學的一個分支，主要是研究熱現(xiàn)象中物態(tài)變化、能量轉化的學科。冰箱、空調為什么能制冷？水為什么會變成水蒸氣，又為什么會結冰？這些都是熱力學科學家的研究內容。

你可能已經發(fā)現(xiàn)，熱力學研究的內容，和我們的生活息息相關，這一特點也使得熱力學的定律非常簡單易懂。

生活中有許多常見的熱現(xiàn)象：熱傳遞、氣體膨脹……都具有一定的方向性，這些過程可以“自動”向某個方向進行。冬天時，你可能會出現(xiàn)一只手溫暖、一只手冰冷的情況；這時如果把兩只手握在一起，過一會你會發(fā)現(xiàn)，溫暖的手漸漸變涼，另一只冰冷的手溫度升高，這是因為溫暖手的熱量傳遞到了冰冷的手上。

類似的現(xiàn)象在生活中還有許多：一熱一冷的兩個鐵塊，貼合在一起，熱的鐵塊會迅速把熱量傳給冷的鐵塊，最終兩個鐵塊溫度相同；把一杯熱水倒入冷水中，最終會形成一杯溫水。

你會發(fā)現(xiàn)，兩個溫度不同的物體接觸，熱的物體總會自發(fā)地把熱量傳給冷的物體，最終兩個物體溫度趨于相同。

為什么不是冷的物體把熱量傳給熱的物體，冷的更冷、熱的更熱？或者兩塊鐵交替變冷、變熱呢？這種看起來非常簡單的現(xiàn)象，背后往往蘊含著并不簡單的科學道理。

科學家們也早就注意到了這類現(xiàn)象，并進行大量研究。1850 年，德國物理學家魯?shù)婪颉た藙谛匏垢鶕?jù)這一現(xiàn)象，總結出了熱力學第二定律：熱量不能自發(fā)地從低溫物體轉移到高溫物體。

說到這，你可能要問了：既然熱量不能從低溫物體轉移到高溫物體，那為什么冰箱通電后，冰箱里的溫度比冰箱外的溫度低的時候，還會繼續(xù)降溫呢？這不違反熱力學第二定律嗎？

當然不是?？藙谛匏箍偨Y的熱力學第二定律中，著重強調了“自發(fā)”一詞，意思是說，兩個物體接觸時，不需要第三者介入，也不對第三者產生影響，在這種條件下，熱量會從溫度高的地方轉移到溫度低的地方。

冰箱工作時，雖說熱量從溫度較低的冰箱內部傳到了溫度較高的外部，但這一切并不符合“自發(fā)”這一條件。要想實現(xiàn)這一過程，冰箱必須要通電，并啟動內部一個叫“壓縮機”的裝置，壓縮機工作時，冰箱才能夠把內部的熱量轉移到外面。如果冰箱斷電了，壓縮機不再工作，熱量便會自發(fā)地從冰箱外部傳向內部。

這么看，熱力學第二定律還是挺有道理的，對吧？不過啊，這條定律是克勞修斯在宏觀實驗現(xiàn)象的基礎上總結出來的，沒有理論依據(jù)及可以預測觀察結果的數(shù)學公式。

# 分子運動論

科學家們對這個結果并不滿足，試圖從微觀角度找到理論依據(jù)?？茖W家研究發(fā)現(xiàn)宏觀物體的內部，是由一個個極其微小的粒子組成的，這些微小粒子在不斷地做無規(guī)則運動?？茖W家利用統(tǒng)計學工具，研究出了粒子無規(guī)則運動背后的秘密。

1859 年，著名物理學家麥克斯韋利用統(tǒng)計學的方法研究相關現(xiàn)象后，發(fā)現(xiàn)粒子運動速度與溫度有關，溫度上升時，粒子運動速度會增加。這個理論叫做“分子運動論”。這個理論具體是什么樣，它跟熵和熱力學第二定律是什么關系，我們下一篇繼續(xù)說。

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