極簡說明熵增原理

熵增原理就是任何物理系統(tǒng)在外界不向其輸送能量的情況下,熵只能增加或者不變,不會(huì)主動(dòng)減小。


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舉個(gè)例子就是一個(gè)房間如果不打掃就會(huì)越來越亂,那為什么會(huì)越來越亂呢?這里的門道可就深了。做一個(gè)比較簡單的演示,假設(shè)一個(gè)物理系統(tǒng)有十個(gè)粒子,給其中一個(gè)粒子十米每秒的速度,其他粒子都不動(dòng),根據(jù)直覺有速度的粒子會(huì)通過碰撞把速度分給不動(dòng)的粒子,所有粒子都動(dòng)起來的狀態(tài)肯定比只有一個(gè)粒子動(dòng)的狀態(tài)要亂的多,熵就是更高的。那為什么物理系統(tǒng)喜歡熵更高呢,這個(gè)還要按照能量最低原理來說,粒子的動(dòng)能跟速度的平方成正比,粒子以每秒十米的速度運(yùn)動(dòng)的時(shí)候動(dòng)能正比于10的平方,也就是100,那其他粒子的能量就是0,因?yàn)闆]有動(dòng)啊,那10個(gè)粒子的總能量正比于100,現(xiàn)在有速度的粒子把速度平分給其他粒子,讓每一個(gè)粒子的速度都是1,那每一個(gè)粒子的動(dòng)能就正比于1的平方,還是1,十個(gè)粒子的總能量是10,比前一種情況小了10倍,根據(jù)能量最低原理,系統(tǒng)當(dāng)然喜歡后一種能量低的狀態(tài),所以熵必然增加,除非熵已經(jīng)是最大了,否則會(huì)一直增加到熵最大的狀態(tài)為止。


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熱力學(xué)第一定律宣告了永動(dòng)機(jī)的破產(chǎn),因?yàn)橛绖?dòng)機(jī)違反了能量和質(zhì)量的守恒定律,在任何的永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中,我們總可以找出一個(gè)平衡位置來,在這個(gè)位置上,各個(gè)力恰好相互抵消掉,不再有任何推動(dòng)力使它運(yùn)動(dòng)。所有永動(dòng)機(jī)必然會(huì)在這個(gè)平衡位置上靜止下來,變成不動(dòng)機(jī)。熱力學(xué)第一定律也促成了蒸汽機(jī)的誕生,直接導(dǎo)致了第一次工業(yè)革命的誕生,人類由此邁入了蒸汽時(shí)代,機(jī)械化生產(chǎn)時(shí)代開始到來。

而能量守恒定律的提出還是沒有打消科學(xué)家們的夢,他們夢想著制造另一種永動(dòng)機(jī),希望它不違反熱力學(xué)第一定律,而且既經(jīng)濟(jì)又方便。比如,這種熱機(jī)可直接從海洋或大氣中吸取熱量使之完全變?yōu)闄C(jī)械功。由于海洋和大氣的能量是取之不盡的,因而這種熱機(jī)可永不停息地運(yùn)轉(zhuǎn)做功,也是一種永動(dòng)機(jī)。

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