鲁道夫·克劳修斯 一个让人感到绝望的物理定律,科学家:宁愿不知道它存在

一位伟人曾说过,“技术”是最重要的生产力,它不仅能够推动文化的发展、给文明发展指明方向,同时也是人类改造物质世界的力量。

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现实确实如此,在人类文明近万年的发展过程中,科学技术绝对称得上是第一推动力,在整个文明进程中占据了重要的主导地位。
比如古代技术的出现,让人类摆脱了茹毛饮血的生活方式,进入了自给自足的农耕社会。而随着近代自然科学的出现,人类的文明发展又进入了新的阶段,生活质量和生活水平相比之前都有了质的飞跃。

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然而,随着文明的不断发展、对世界探索程度的逐渐加深,人类在科学的指引下找到发展方向的同时,也知道了一些颠覆以往认知甚至是让人心生绝望的事实,比如说让许多科学家表示宁愿不知道它存在的——“熵增定律”。
一个物理定律为什么会让人如此恐惧呢?它究竟隐藏着怎么样的秘密和绝望事实呢?要探究这些问题的答案,首先要知道什么是“熵(shāng)增定律”。
相比“熵增定律”这个有些拗口的名字,它的另一个名称——热力学第二定律就要显得简单和直观得多。

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这个定律的提出者是德国物理学家鲁道夫·克劳修斯,他在1850年发表的关于热的力学理论论文中,第一次明确指出了热力学第二定律的基本概念。
它既然叫做“热力学第二定律”,那么就离不开热量和力。所以在通常情况下,它被用于描述热量从高温热源向低温热源移动的过程。

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需要注意的是,这个传递的过程是不可逆的,同时还有一个非常重要的前提——在孤立的系统中。
在进一步思考之后,鲁道夫·克劳修斯在1855年引入了”熵“的概念。它是对系统混乱(无序)程度的度量。

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简单来说,孤立系统内越混乱,这个系统的熵就越高,它是不可逆且持续增加的,当其达到最大值时,系统就会走向永恒的灭亡。
可能许多人好奇,熵在什么情况下就算达到最大值了呢?通俗来说,就是系统内所有基础结构完全放飞自我,达到一种宏观平衡的时候。

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就像一辆公交车,当里面站满了乘客,并且每个乘客的脚都有自己的落点位置时,这就是一种宏观上的平衡。
再举一个便于理解的例子:在下雪的夜晚,封闭的操场上由于没人走动雪会越积越多,因为每一片雪花都会自发地落到地面,然后堆积起来平铺成非常平坦的一层。此时就是熵值最大的时候,因为达成了宏观平衡。

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或许有人会说,此时将操场上的雪全部清理出去,就不是将操场内的熵降低了吗,为什么还说它是一个不可以逆转的过程呢?
有这个疑惑说明你对熵增定律还没有真正理解。由于扫雪这个动作需要外界能量进行驱动,而在能量转换率不可能达到百分百,必然会产生额外的热量,额外的热量加上扫雪所做的功,其实是大于扫雪让操场减的熵,所以从操场这个孤立的系统中来看,它的熵值依旧是增加了,并没有因为雪的减少而减少。
当然了, 如果你觉得这有些晦涩难懂也没关系,这是十分正常的情况,因为许多科学家在最开始都对此感到难以理解,甚至有科学家还专门设计了一些实验,试图证明这个难以理解的定律是错误的。

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1871年,被誉为“现代物理学先声”的物理巨匠麦克斯韦,为了证明熵增定律只有在某些限定条件下才能成立,从而设想了一个非常有意思的实验。
麦克斯韦设想一个完全隔热的箱子被挡板分成A和B两个区域,挡板由一只小妖控制,小妖知道箱子中每一个分子的运动速度。

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当A区域中速率高的分子将要撞击挡板时,小妖会打开挡板,将其引导进B区域,那些速率不高的分子则留在A区域中。

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