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熱為什麼不能從低溫物體傳遞到高溫物體?其中隱藏著一種世界觀!
2023/03/26

日常生活經驗告訴我們,一杯熱水總是會慢慢冷卻下來,最終的溫度與周圍環境溫度達到平衡。周圍的低溫環境并不能把熱量傳遞給那杯熱水,只能是那杯熱水把能量傳遞給周圍的低溫環境。

你有沒有想過,到底為什麼會這樣?

對于這樣的問題,很多人會覺得很無聊,沒有意義,甚至會會認為只有瘋子才會問如此無聊的問題。但要想參透問題的本質,就必須保持足夠的好奇心,只有這樣才能接近事物的本質。

不要以為科學家們探索發現的大自然法則都隱藏很深,事實上大部分大自然法則就在你我身邊,但或許正是因為如此,我們早就習以為常了,根本不會去想為什麼會那樣。

就好比「蘋果落地」一樣,我們每天都會看到類似「蘋果落地」的現象,但又有幾個人會去問「蘋果為什麼會落地」 ?

人們對能量的認知過程也是如此,我們每天都能感受到能量在不同物體之間來回傳遞,但能量的傳遞有什麼規律嗎?

早在兩百多年前,人們就開始意識到能量更深層的東西,發現熱和機械功雖然看起來并不一樣,但它們都是一回事,本質上都是能量。

這種對能量的認知也催生了熱力學第一定律的誕生,該定律表明,能量不生不滅,能量是守恒的,只能在不同的能量形式之間來回轉換。

能量守恒,也非常符合我們的日常生活認知。但這里有一個大問題,能量為什麼會從一種形式轉換為另一種形式,在轉換的過程中到底發生了什麼?

這個問題的答案直接讓人類通向了熱力學第二定律,最開始是由克勞修斯發現的。克勞修斯通過不斷探索研究發現,宇宙中的能量不僅是固定的,而且還遵循一個極其嚴苛的規律,一個看似很簡單的規律:熱能總是會向某個特定的方向傳遞。

說白了,熱能只能從高溫物體傳遞給低溫物體,而不能反過來。

這種規律是顯而易見的,很多人都能直觀感受到這種規律。但是克勞修斯對這種規律有了更深層的思考。

他認為,熱能的這種單向流動是宇宙運轉的基本法則,熱能總是傾向于從集中到分散。當然整個過程也能反過來,熱能也可以從分散到集中,但不會自發進行,你必須做些事情才可以。

實際上,這就是「熵」概念的雛形。熱能從高溫物體傳遞給低溫物體的過程,熵增加了。

熵,是衡量物體有序程度的物理量。熵越大,代表越混亂。也就是說,當高溫物體冷卻下來之后,它的熵增加了,物體變得更無序了。克勞修斯認為,在于一個孤立的系統里,這樣的過程是不可逆的。

不僅如此,克勞修斯堅信,這樣的過程適用于整個宇宙,整個宇宙的熵終有一天會達到最大,最終達到徹底的熱平衡,沒有任何能量交換,也就是所謂的熱寂,宣告宇宙的終結。

這就是可怕的熵增原理,也是熱力學第二定律的直接體現。可以這樣通俗理解熵增定律和熱力學第二定律,在一個孤立的系統里,任何過程都無法自動復原,要想讓系統的終態回到初態,必須借助外部力量。

還是文章開頭的例子,一杯熱水從最初的熱水狀態變成最終的溫水狀態,這個過程是不可逆的,是自發進行的。要想讓溫水重新變為熱水,你必須做點什麼,溫水不會自發地變成熱水。

還有打碎的玻璃杯,不可能自發地重新變成一個完整的杯子。從熵的角度來理解,完整的玻璃杯總是傾向于變成打碎的玻璃杯,因為萬物總是傾向從低熵走向高熵,從有序走向無序。完整的玻璃杯是有序的,而打碎的玻璃杯是無序的。

上升到宇宙的高度,宇宙萬物之所以能夠存在,很重要的一個原因是萬物之間不斷進行著各種能量傳遞和交換,這種傳遞和交換的過程其實就是熵增的過程,就是宇宙從有序走向無序的過程。

無法想象,一個沒有任何能量交換,達到徹底的熱平衡的世界會是什麼樣,那意味著熵達到最大,意味著一切都靜止了,宣告宇宙的終結。所以,某種程度上講,宇宙的命運其實與一杯開水的命運非常相似。

那無情的「熵增原理」是否意味著宇宙終將走向死亡呢?熵增原理有一個前提:一個封閉的系統。

我們并不知道宇宙是不是封閉的,但我們渴望它不是。因為如果宇宙是開放的,意味著可以通過吸收外界的「負熵」來延緩宇宙的熵增,甚至讓宇宙的熵增完全停止!

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