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  • 1 # 回弦雨

    我們知道,在科學中有三個基本定律,即質量守恆定律,能量守恆定律和電荷守恆定律。質量、能量守恆定律在微觀領域又被推廣為質、能相關定律。質量守恆定律,能量守恆定律和質能相關定律在數學上表示為等式。而熵增定律則是不等式 , 即在孤立系中 , 熵增總是大於或等於零 ( △ S ≥ 0) 。在這種等式與不等式的差別中,隱含著深刻的意義。從系統三象性的基點來看,問題是這樣的:任何系統狀態 ( 點 ) 上物質性、能量性、資訊性不可分離地共存著,但物質 ( 質量 ) 和能量是守恆的,而資訊卻 ( 資訊是負熵 ) 不守恆。在孤立的熱力學系統中熵總是增加的。但是在這個結論是在不考慮到熱力學系統內部有萬有引力的情況下得到的經驗規律。在大到星際尺度時由於萬有引力的作用系統傾向於朝向聚合的有序狀態而不再傾向於本來的均勻無序狀態。在星際尺度下由於萬有引力形成的結構:恆星能夠向外輸出負熵流。這便能解釋為何在地球上會出現生物這種有序化的結構。地球上的生物是一個開放系統,透過從環境攝取低熵物質(有序高分子)向環境釋放高熵物質(無序小分子)來維持自身處於低熵有序狀態。而地球整體的負熵流來自於植物吸收太陽的光流(負熵流)產生低熵物質。對於不考慮萬有引力的熱力學系統,由於熵總是增加的,因而過程就出現單一的時間之矢,從而是不可逆的,這就與牛頓力學的可逆時間產生矛盾,出現牛頓、愛因斯坦與普里戈金、哈肯的分裂。現代科學的普遍解釋是熵增過程代表了系統的統計性質即巨量單元的長時間行為。在這個尺度上熵最大的構型是最為可能的狀態。質量守恆定律和能量守恆定律是自然界的普適定律,而熵增定律則適合於熱力學孤立體系。任一質點或任一質點系都適合於質量守恆定律和能量守恆定律,但一個質點就談不上熵增,非孤立體系的熵也不一定增加。(1)概述①熱不可能自發地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體(不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其他變化,這是按照熱傳導的方向來表述的)。②不可能從單一熱源取熱,把它全部變為功而不產生其他任何影響(這是從能量消耗的角度說的,它說明第二類永動機是不可能實現的)。來自物理學中一條最基本的定律--熱力學第二定律。這條科學史上最令人傷心絕望的定律,冥冥中似乎早已規定了宇宙的命運。(2)說明 ①熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一。它是關於在有限空間和時間內,一切和熱運動有關的物理、化學過程具有不可逆性的經驗總結。  上述(1)中①的講法是克勞修斯(Clausius)在1850年提出的。②的講法是開爾文於1851年提出的。這些表述都是等效的。  在①的講法中,指出了在自然條件下熱量只能從高溫物體向低溫物體轉移,而不能由低溫物體自動向高溫物體轉移,也就是說在自然條件下,這個轉變過程是不可逆的。要使熱傳遞方向倒轉過來,只有靠消耗功來實現。  在②的講法中指出,自然界中任何形式的能都會很容易地變成熱,而反過來熱卻不能在不產生其他影響的條件下完全變成其他形式的能,從而說明了這種轉變在自然條件下也是不可逆的。熱機能連續不斷地將熱變為機械功,一定伴隨有熱量的損失。第二定律和第一定律不同,第一定律否定了創造能量和消滅能量的可能性,第二定律闡明瞭過程進行的方向性,否定了以特殊方式利用能量的可能性。 .  ②人們曾設想製造一種能從單一熱源取熱,使之完全變為有用功而不產生其他影響的機器,這種空想出來的熱機叫第二類永動機。它並不違反熱力學第一定律,但卻違反熱力學第二定律。有人曾計算過,地球表面有10億立方千米的海水,以海水作單一熱源,若把海水的溫度哪怕只降低O.25度,放出熱量,將能變成一千萬億度的電能足夠全世界使用一千年。但只用海洋做為單一熱源的熱機是違反上述第二種講法的,因此要想製造出熱效率為百分之百的熱機是絕對不可能的。  ③從分子運動論的觀點看,作功是大量分子的有規則運動,而熱運動則是大量分子的無規則運動。顯然無規則運動要變為有規則運動的機率極小,而有規則的運動變成無規則運動的機率大。一個不受外界影響的孤立系統,其內部自發的過程總是由機率小的狀態向機率大的狀態進行,從此可見熱是不可能自發地變成功的。④熱力學第二定律只能適用於由很大數目分子所構成的系統及有限範圍內的宏觀過程。而不適用於少量的微觀體系,也不能把它推廣到無限的宇宙。3)令人傷心絕望的定律簡而言之,第二定律認為熱量從熱的地方流到冷的地方,科學家寧願沒有發現它。對任何物理系統,這都是顯而易見的特性,毫無神秘之處:開水變涼,冰淇淋化成糖水。要想把這些過程顛倒過來,就非得額外消耗能量不可。就最廣泛的意義而言,第二定律認為宇宙的“熵”(無序程度)與日俱增。例如,機械手錶的發條總是越來越松;你可以把它上緊,但這就需要消耗一點能量;這些能量來自於你吃掉的一塊麵包;做麵包的麥子在生長的過程中需要吸收Sunny的能量;太陽為了提供這些能量,需要消耗它的氫來進行核反應。總之宇宙中每個區域性的熵減少,都須以其它地方的熵增加為代價。在一個封閉的系統裡,熵總是增大的,一直大到不能再大的程度。這時,系統內部達到一種完全均勻的熱動平衡的狀態,不會再發生任何變化,除非外界對系統提供新的能量。對宇宙來說,是不存在“外界”的,因此宇宙一旦到達熱動平衡狀態,就完全死亡,萬劫不復。這種情景稱為“熱寂”。

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