Yak一分鐘：熱力學第二定律

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偶爾我和我的同事們，對於我們亂糟糟的桌子很失望，於是開始整理起來。整理之後很整潔。用物理的語言來說，就是熵值很低。

熵是物理中用來衡量秩序的。從我們的經驗來看，桌子的熵值一定會增加，越來越亂很簡單，稍不留神就變亂了。總有一千種方式可以讓桌子變得更亂，可是只有那麼幾種方法讓桌子變得整潔。這就是說，熵一定會不斷增加。

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事實上，真的不是我們的錯。因為我們不能違背物理學定律，也是物理中重要的一條定律：熱力學第二定律。分離系統的熵值是不可能較少的。這個定律解釋了不僅我們的桌子在沒人管的時候會亂，即便是冰塊也會融化。所有的系統都會像熵值最大化發展。在熱的液體中高度結構化的冰塊立方體會形成一個更加有序的系統，和熔塊的冰塊相比較的話。其他立方體外的分子都會混合在一起。系統的最高熵狀態也是它的平衡狀態。

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熱力學第二定律起源於統計力學領域，使用統計學原則描述了大量物體的運動規律。一個有用的領域是液體和氣體的運動。我們嘗試寫下每個氣體分子的牛頓方程式和他們之間所有可能的相互反應，但是這是不太可能的。在一升的空氣中大約有3x1022個分子，而我們需要大量的方程去描述每個分子的運動規律，更不用說它們之間的相互反應了。但是我們可以預測到使用數據的整個系統的整體運動趨勢。

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例如，如果你打開一罐子的氣體蓋子，你明白氣體不會一直罐子裡面，它會逐漸地擴散直到它均勻地填滿所有的空間。在盒子中氣體顆粒的所有可能布置中，只有少量對應留在打開的罐內。這些都遠遠超過了通過整個盒子擴散的氣體分子的可能排列。氣體分子總是散開而不能回到罐子里的事實不是確定性的，而是更有可能的。

起初，第二熱力學定律，基於統計學上的可能性-畢竟，定律是關於確定性的。包含了不確定性的事實。為了證明違反這一法律的可能性不大，法國數學家émileBorel使用了一個有趣的比喻：他說如果一百萬隻猴子每天打字10個小時，那麼他們的合并寫作不太可能和世界上藏書最豐富的圖書館的內容完全相同-違反統計力學法則和這個相比更不可能。

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克勞修斯

克勞修斯表述是以熱量傳遞的不可逆性（即熱量總是自發地從高溫熱源流向低溫熱源）作為出發點。

1850年克勞修斯將這一規律總結為：

「不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不產生其他影響。」

開爾文

開爾文表述是以第二類永動機不可能實現這一規律作為出發點。

第二類永動機是指可以將從單一熱源吸熱全部轉化為功，但大量事實證明這個過程是不可能實現的。功能夠自發地、無條件地全部轉化為熱；但熱轉化為功是有條件的，而且轉化效率有所限制。也就是說功自發轉化為熱這一過程只能單向進行而不可逆。

1851年開爾文勛爵把這一普遍規律總結為：

「不可能從單一熱源吸收能量，使之完全變為有用功而不產生其他影響。」

定律的其他表述

「不可存在一個機器，在循環動作中把以重物升高而同時使一熱庫冷卻。」

「對於一個有給定能量，物質組成，參數的系統，存在這樣一個穩定的平衡態：其他狀態總可以通過可逆過程達到之。」

可以論證，這些表述與克勞修斯表述以及開爾文表述是等價的。

熵

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