熵与热力学第二定律（上）

作者：胡桃夹子工作室

审稿专家：周晓亮（北京交通大学物理学实验室 高级工程师）

你有没有想过为什么屋子不收拾，时间长了就会乱？为什么每天课间操，排列队伍是一个非常麻烦的过程，做完操后散场却非常快？

你可能想不到，这背后的道理，竟然可以用一个看起来十分简单的物理概念来解释？

# 热力学第二定律

“熵”是一个十分复杂的概念，要弄清楚它，我们首先要知道另一个概念“热力学第二定律”。

热力学是物理学的一个分支，主要是研究热现象中物态变化、能量转化的学科。冰箱、空调为什么能制冷？水为什么会变成水蒸气，又为什么会结冰？这些都是热力学科学家的研究内容。

你可能已经发现，热力学研究的内容，和我们的生活息息相关，这一特点也使得热力学的定律非常简单易懂。

生活中有许多常见的热现象：热传递、气体膨胀……都具有一定的方向性，这些过程可以“自动”向某个方向进行。冬天时，你可能会出现一只手温暖、一只手冰冷的情况；这时如果把两只手握在一起，过一会你会发现，温暖的手渐渐变凉，另一只冰冷的手温度升高，这是因为温暖手的热量传递到了冰冷的手上。

类似的现象在生活中还有许多：一热一冷的两个铁块，贴合在一起，热的铁块会迅速把热量传给冷的铁块，最终两个铁块温度相同；把一杯热水倒入冷水中，最终会形成一杯温水。

你会发现，两个温度不同的物体接触，热的物体总会自发地把热量传给冷的物体，最终两个物体温度趋于相同。

为什么不是冷的物体把热量传给热的物体，冷的更冷、热的更热？或者两块铁交替变冷、变热呢？这种看起来非常简单的现象，背后往往蕴含着并不简单的科学道理。

科学家们也早就注意到了这类现象，并进行大量研究。1850 年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯根据这一现象，总结出了热力学第二定律：热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。

说到这，你可能要问了：既然热量不能从低温物体转移到高温物体，那为什么冰箱通电后，冰箱里的温度比冰箱外的温度低的时候，还会继续降温呢？这不违反热力学第二定律吗？

当然不是。克劳修斯总结的热力学第二定律中，着重强调了“自发”一词，意思是说，两个物体接触时，不需要第三者介入，也不对第三者产生影响，在这种条件下，热量会从温度高的地方转移到温度低的地方。

冰箱工作时，虽说热量从温度较低的冰箱内部传到了温度较高的外部，但这一切并不符合“自发”这一条件。要想实现这一过程，冰箱必须要通电，并启动内部一个叫“压缩机”的装置，压缩机工作时，冰箱才能够把内部的热量转移到外面。如果冰箱断电了，压缩机不再工作，热量便会自发地从冰箱外部传向内部。

这么看，热力学第二定律还是挺有道理的，对吧？不过啊，这条定律是克劳修斯在宏观实验现象的基础上总结出来的，没有理论依据及可以预测观察结果的数学公式。

# 分子运动论

科学家们对这个结果并不满足，试图从微观角度找到理论依据。科学家研究发现宏观物体的内部，是由一个个极其微小的粒子组成的，这些微小粒子在不断地做无规则运动。科学家利用统计学工具，研究出了粒子无规则运动背后的秘密。

1859 年，著名物理学家麦克斯韦利用统计学的方法研究相关现象后，发现粒子运动速度与温度有关，温度上升时，粒子运动速度会增加。这个理论叫做“分子运动论”。这个理论具体是什么样，它跟熵和热力学第二定律是什么关系，我们下一篇继续说。

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