科學(xué)百科68期丨熵是什么？

本期為大家?guī)?lái)：

《你知道嗎——現(xiàn)代科學(xué)中的100個(gè)問(wèn)題》

本書(shū)是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。

作者以通俗的語(yǔ)言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學(xué)中的一百個(gè)尖端課題。

其中，有些是了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)，如科學(xué)的研究方法、二進(jìn)制數(shù)、相對(duì)論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場(chǎng)論、夸克、快子、金屬氫等。

作者對(duì)這些問(wèn)題的來(lái)龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒(méi)有希望得到解決等問(wèn)題均作了回答。

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第六十八個(gè)問(wèn)題： 熵是什么？

只有當(dāng)你所使用的那個(gè)特定系統(tǒng)中的能量密度參差不齊的時(shí)候，能量才能夠轉(zhuǎn)化為功，這時(shí)，能量?jī)A向于從密度較高的地方流向密度較低的地方，直到一切都達(dá)到均勻?yàn)橹?。正是依靠能量的這種流動(dòng)，你才能從能量得到功。

江河發(fā)源地的水位比較高，那里的水的勢(shì)能也比河口的水的勢(shì)能來(lái)得大。由于這個(gè)原因，水就沿著江河向下流入海洋。要不是下雨的話，大陸上所有的水就會(huì)全部流入海洋，而海平面將稍稍升高。總勢(shì)能這時(shí)保持不變。但分布得比較均勻。

正是在水往下流的時(shí)候，可以使水輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，因而水就能夠做功。處在同一個(gè)水平面上的水是無(wú)法做功的，即使這些水是處在很高的高原上，因而具有異常高的勢(shì)能，也同樣做不了功。在這里起決定性作用的是能量密度的差異和朝著均勻化方向的流動(dòng)。

不管對(duì)哪一種能量來(lái)說(shuō)，情況都是如此。在蒸汽機(jī)中，有一個(gè)熱庫(kù)把水變成蒸汽，還有一個(gè)冷庫(kù)把蒸汽冷凝成水。起決定性作用的正是這個(gè)溫度差。在任何單一的、毫無(wú)差別的溫度下——不管這個(gè)溫度有多高——是不可能得到任何功的。

“熵”是德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯在1850年創(chuàng)造的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，他用它來(lái)表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度。能量分布得越均勻，熵就越大。如果對(duì)于我們所考慮的那個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能量完全均勻地分布，那么，這個(gè)系統(tǒng)的熵就達(dá)到最大值。

在克勞修斯看來(lái)，在一個(gè)系統(tǒng)中，如果聽(tīng)任它自然發(fā)展，那么，能量差總是傾向于消除的。讓一個(gè)熱物體同一個(gè)冷物體相接觸，熱就會(huì)以下面所說(shuō)的方式流動(dòng)：熱物體將冷卻，冷物體將變熱，直到兩個(gè)物體達(dá)到相同的溫度為止。如果把兩個(gè)水庫(kù)連接起來(lái)，并且其中一個(gè)水庫(kù)的水平面高于另一個(gè)水庫(kù)，那么，萬(wàn)有引力就會(huì)使一個(gè)水庫(kù)的水面降低，而使另一個(gè)水面升高，直到兩個(gè)水庫(kù)的水面均等，而勢(shì)能也取平為止。

因此，克勞修斯說(shuō)，自然界中的一個(gè)普遍規(guī)律是：能量密度的差異傾向于變成均等。換句話說(shuō)，“熵將隨著時(shí)間而增大”。

對(duì)于能量從密度較高的地方向密度較低的地方流動(dòng)的研究，過(guò)去主要是對(duì)于熱這種能量形態(tài)進(jìn)行的。因此，關(guān)于能量流動(dòng)和功－能轉(zhuǎn)換的科學(xué)就被稱為“熱力學(xué)”，這是從希臘文“熱運(yùn)動(dòng)”一詞變來(lái)的。

人們?cè)缫褦喽?，能量既不能?chuàng)造，也不能消滅。這是一條最基本的定律；所以人們把它稱為“熱力學(xué)第一定律”。

克勞修斯所提出的熵隨時(shí)間而增大的說(shuō)法，看來(lái)差不多也是非常基本的一條普遍規(guī)律，所以它被稱為“熱力學(xué)第二定律”。