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談談熵

2019-04-30 07:07李淼
小康 2019年10期
關(guān)鍵詞:魔棒潭水熱傳導

李淼 心里有詩和遠方,眼下有科學和科普以及跨界人生。

我們在科幻里面經(jīng)??吹揭恍┈F(xiàn)實中不容易看到的神奇景象,比如《哈利·波特》里面的魔棒。魔棒一指,就有神奇的事情發(fā)生:指著一潭水,潭水立馬結(jié)冰;指著一個亂糟糟的房間,房間旋即恢復秩序……散落一地的紙張飛到桌子上,變回一本書;亂扔的衣物跑到衣柜里面,疊放得整整齊齊……摔碎的花瓶可以復原,打破的鏡子可以重圓……這些景象,現(xiàn)實世界里會發(fā)生嗎?問題的答案,全在一個“熵”字。

什么是熵?熵是物理學中最重要的概念之一,重要性僅次于能量。熵是度量系統(tǒng)的混亂度。比如一個箱子中的空氣,一種情況是分子聚集在箱子一角,還有一種情況是分子遍布于箱子的每一個角落。那么毫無疑問,所有分子聚集在箱子一角的情況較為有序——換句話說就是,熵比較小;而箱子里遍布分子的情況,則較為混亂——換句話說就是,熵比較大。

系統(tǒng)變得混亂,熵也隨之增大。熵就是這么一個概念,1854年由克勞修斯首次提出。前面提到的,無論是一潭水變成冰,還是混亂的房間變得有序,都是從無序到有序,從熵大到熵小的過程。這種事情會發(fā)生嗎?答案是:基本上不可能。因為違反了物理學定律。

摔碎的花瓶可以復原,打破的鏡子可以重圓……這些景象,現(xiàn)實世界里會發(fā)生嗎?問題的答案,全在一個“熵”字。

日常生活中,我們經(jīng)常遇到這種情況:握著一根金屬棒在燃氣灶上燒,要不了多久,金屬棒會把燃氣那邊的熱量傳到手上。這叫熱傳導,也就是熱量傳遞。熱量的傳遞,通常是從溫度高的地方傳向溫度低的地方。再看一個例子,一個杯子放熱水,一個杯子放涼水。兩個杯子遠遠分開的話,什么事也不會發(fā)生??梢坏┛吭谝黄?,再用一枚U形金屬棒連通的話,很快兩杯水的溫度就會趨于相同——溫度高的變低,溫度低的變高。這也是熱傳導。推而廣之,可以得出一個結(jié)論:世界是趨于平衡的,趨近于大家的溫度變成一樣高。就是說,熱量只會從溫度高的地方向低的地方傳,從來不會顛倒方向。這是熱力學第二定律的一個體現(xiàn)。

另外一個例子是:一杯溶液,一邊濃度低,一邊濃度高。大家會發(fā)現(xiàn),溶劑分子總是從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。與熱傳導過程類似,這是擴散過程。一個生活中常見的例子是:滴一滴墨水到一杯水里面。剛開始的時候,水面附近的墨水濃度很高,不一會兒,你會發(fā)現(xiàn)整杯水都變成了墨水,且濃度均勻。這一切都告訴我們,任其自然的話,都會朝著混亂度增大的方向發(fā)展。一滴墨水集中在一個地方的時候,它是比較有序的,可以準確地說出這滴墨水在哪兒;而由于擴散,發(fā)展到整個杯子都有墨水的時候,就不好說它到底在哪兒了。這個時候,它的混亂度就比較大,用克勞修斯的話說,就是熵比較大。孤立系統(tǒng)永遠是熵增的,它的混亂度趨于變大。這就是熱力學第二定律。

回顧一下《哈利·波特》里面的場景:用魔棒將潭水變成冰。本來這潭水的溫度跟空氣一樣高,想讓它變成冰,周圍的空氣就要吸收它的熱量。結(jié)果就是,空氣溫度升高,而潭水溫度降低。這意味著熱量要是從溫度低的地方向溫度高的地方傳導,跟正常的熱傳導過程剛好相反,違反了熱力學第二定律??匆粋€有些“好吃”的例子:將雞蛋打碎,放進鍋里煎,就做出了好吃的煎雞蛋。而相反的過程——煎熟的雞蛋變成生雞蛋,回到雞蛋殼里,變成一顆完整的雞蛋——則不會發(fā)生。這同樣違反熱力學第二定律。在《哈利·波特》里面,我們看到家具在魔棒的指引下,歸回原位;裝飾品打碎了,書撕碎了,都在空中自行復原,落回到書架上。所有這一切都違反熱力學第二定律。

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