热力学三大定律与熵

1. 热力学三大定律

• 第一定律：能量是守恒的，可以互相转化（比如机械能转化为电能），而不会消失。

  
  
  
  • 天平的两端相平衡；

• 第二定律：然能量可以转化，但是无法100%利用。在转化过程中，总是有一部分能量会被浪费掉。

  
  
  

  写成公式就是：能量的总和 = 有效能量 + 无效能量；

  “有效能量”指的是，可以被利用的能量；”无效能量”指的是，无法再利用的能量，又称为熵。所以，熵就是系统中的无效能量。

  考虑到宇宙的能量总和是一个常量，而每一次能量转化，必然有一部分”有效能量”变成”无效能量”（即”熵”），因此不难推论，有效能量越来越少，无效能量越来越多。直到有一天，所有的有效能量都变成无效能量，那时将不再有任何能量转化，这就叫宇宙的”热寂”（Heat Death）。所以，热力学第二定律的一个重要推论就是：熵永远在增加。

• 永动机：

  不消耗能量而能永远对外做功的机器，它违反了能量守恒定律，故称为“第一类永动机”。
  在没有温度差的情况下，从自然界中的海水或空气中不断吸取热量而使之连续地转变为机械能的机器，它违反了热力学第二定律，故称为“第二类永动机”

2. 为什么会出现熵？

热力学第二定律只是定义了”熵”，没有解释”熵”的产生原因：为什么总是有一部分能量无法再利用？

1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）对”熵”做出了令人信服的解释。

他认为，任何粒子的常态都是随机运动，也就是”无序运动”，如果让粒子呈现”有序化”，必须耗费能量。所以，能量可以被看作”有序化”的一种度量。热力学第二定律实际上是说，当一种形式的”有序化”转化为另一种形式的”有序化”，必然伴随产生某种”无序化”。一旦能量以”无序化”的形式存在，就无法再利用了，除非从外界输入新的能量，让无序状态重新变成有序状态。

“熵”就是”无序化”的度量。考虑到”无序化”代表着混乱（实质是随机运动），可以得到三个重要结论：

• 结论1：如果没有外部能量输入，封闭系统趋向越来越混乱（熵越来越大）。比如，如果房间无人打扫，不可能越来越干净（有序化），只可能越来越乱（无序化）。

• 结论2：如果要让一个系统变得更有序，必须有外部能量的输入。

• 结论3：当一个系统（或部分）变得更加有序，必然有另一个系统（或部分）变得更加无序，而且”无序”的增加程度将超过”有序”的增加程度。