談?wù)勳?/h1>
2019-04-30 07:07:30李淼
小康 2019年10期
李淼 心里有詩(shī)和遠(yuǎn)方，眼下有科學(xué)和科普以及跨界人生。
我們?cè)诳苹美锩娼?jīng)常看到一些現(xiàn)實(shí)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(gè)亂糟糟的房間，房間旋即恢復(fù)秩序……散落一地的紙張飛到桌子上，變回一本書(shū);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(fù)原，打破的鏡子可以重圓……這些景象，現(xiàn)實(shí)世界里會(huì)發(fā)生嗎？問(wèn)題的答案，全在一個(gè)“熵”字。
什么是熵？熵是物理學(xué)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(gè)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(gè)角落。那么毫無(wú)疑問(wèn)，所有分子聚集在箱子一角的情況較為有序——換句話說(shuō)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(shuō)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(gè)概念，1854年由克勞修斯首次提出。前面提到的，無(wú)論是一潭水變成冰，還是混亂的房間變得有序，都是從無(wú)序到有序，從熵大到熵小的過(guò)程。這種事情會(huì)發(fā)生嗎？答案是：基本上不可能。因?yàn)檫`反了物理學(xué)定律。
摔碎的花瓶可以復(fù)原，打破的鏡子可以重圓……這些景象，現(xiàn)實(shí)世界里會(huì)發(fā)生嗎？問(wèn)題的答案，全在一個(gè)“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?xì)庠钌蠠涣硕嗑茫饘侔魰?huì)把燃?xì)饽沁叺臒崃總鞯绞稚稀＿@叫熱傳導(dǎo)，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(gè)例子，一個(gè)杯子放熱水，一個(gè)杯子放涼水。兩個(gè)杯子遠(yuǎn)遠(yuǎn)分開(kāi)的話，什么事也不會(huì)發(fā)生。可一旦靠在一起，再用一枚U形金屬棒連通的話，很快兩杯水的溫度就會(huì)趨于相同——溫度高的變低，溫度低的變高。這也是熱傳導(dǎo)。推而廣之，可以得出一個(gè)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(shuō)，熱量只會(huì)從溫度高的地方向低的地方傳，從來(lái)不會(huì)顛倒方向。這是熱力學(xué)第二定律的一個(gè)體現(xiàn)。
另外一個(gè)例子是：一杯溶液，一邊濃度低，一邊濃度高。大家會(huì)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(kuò)散。與熱傳導(dǎo)過(guò)程類似，這是擴(kuò)散過(guò)程。一個(gè)生活中常見(jiàn)的例子是：滴一滴墨水到一杯水里面。剛開(kāi)始的時(shí)候，水面附近的墨水濃度很高，不一會(huì)兒，你會(huì)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(huì)朝著混亂度增大的方向發(fā)展。一滴墨水集中在一個(gè)地方的時(shí)候，它是比較有序的，可以準(zhǔn)確地說(shuō)出這滴墨水在哪兒;而由于擴(kuò)散，發(fā)展到整個(gè)杯子都有墨水的時(shí)候，就不好說(shuō)它到底在哪兒了。這個(gè)時(shí)候，它的混亂度就比較大，用克勞修斯的話說(shuō)，就是熵比較大。孤立系統(tǒng)永遠(yuǎn)是熵增的，它的混亂度趨于變大。這就是熱力學(xué)第二定律。
回顧一下《哈利·波特》里面的場(chǎng)景：用魔棒將潭水變成冰。本來(lái)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(dǎo)，跟正常的熱傳導(dǎo)過(guò)程剛好相反，違反了熱力學(xué)第二定律。看一個(gè)有些“好吃”的例子：將雞蛋打碎，放進(jìn)鍋里煎，就做出了好吃的煎雞蛋。而相反的過(guò)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——?jiǎng)t不會(huì)發(fā)生。這同樣違反熱力學(xué)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(shū)撕碎了，都在空中自行復(fù)原，落回到書(shū)架上。所有這一切都違反熱力學(xué)第二定律。
李淼 心里有詩(shī)和遠(yuǎn)方，眼下有科學(xué)和科普以及跨界人生。
我們?cè)诳苹美锩娼?jīng)常看到一些現(xiàn)實(shí)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(gè)亂糟糟的房間，房間旋即恢復(fù)秩序……散落一地的紙張飛到桌子上，變回一本書(shū);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(fù)原，打破的鏡子可以重圓……這些景象，現(xiàn)實(shí)世界里會(huì)發(fā)生嗎？問(wèn)題的答案，全在一個(gè)“熵”字。
什么是熵？熵是物理學(xué)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(gè)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(gè)角落。那么毫無(wú)疑問(wèn)，所有分子聚集在箱子一角的情況較為有序——換句話說(shuō)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(shuō)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(gè)概念，1854年由克勞修斯首次提出。前面提到的，無(wú)論是一潭水變成冰，還是混亂的房間變得有序，都是從無(wú)序到有序，從熵大到熵小的過(guò)程。這種事情會(huì)發(fā)生嗎？答案是：基本上不可能。因?yàn)檫`反了物理學(xué)定律。
摔碎的花瓶可以復(fù)原，打破的鏡子可以重圓……這些景象，現(xiàn)實(shí)世界里會(huì)發(fā)生嗎？問(wèn)題的答案，全在一個(gè)“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?xì)庠钌蠠涣硕嗑茫饘侔魰?huì)把燃?xì)饽沁叺臒崃總鞯绞稚稀＿@叫熱傳導(dǎo)，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(gè)例子，一個(gè)杯子放熱水，一個(gè)杯子放涼水。兩個(gè)杯子遠(yuǎn)遠(yuǎn)分開(kāi)的話，什么事也不會(huì)發(fā)生。可一旦靠在一起，再用一枚U形金屬棒連通的話，很快兩杯水的溫度就會(huì)趨于相同——溫度高的變低，溫度低的變高。這也是熱傳導(dǎo)。推而廣之，可以得出一個(gè)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(shuō)，熱量只會(huì)從溫度高的地方向低的地方傳，從來(lái)不會(huì)顛倒方向。這是熱力學(xué)第二定律的一個(gè)體現(xiàn)。
另外一個(gè)例子是：一杯溶液，一邊濃度低，一邊濃度高。大家會(huì)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(kuò)散。與熱傳導(dǎo)過(guò)程類似，這是擴(kuò)散過(guò)程。一個(gè)生活中常見(jiàn)的例子是：滴一滴墨水到一杯水里面。剛開(kāi)始的時(shí)候，水面附近的墨水濃度很高，不一會(huì)兒，你會(huì)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(huì)朝著混亂度增大的方向發(fā)展。一滴墨水集中在一個(gè)地方的時(shí)候，它是比較有序的，可以準(zhǔn)確地說(shuō)出這滴墨水在哪兒;而由于擴(kuò)散，發(fā)展到整個(gè)杯子都有墨水的時(shí)候，就不好說(shuō)它到底在哪兒了。這個(gè)時(shí)候，它的混亂度就比較大，用克勞修斯的話說(shuō)，就是熵比較大。孤立系統(tǒng)永遠(yuǎn)是熵增的，它的混亂度趨于變大。這就是熱力學(xué)第二定律。
回顧一下《哈利·波特》里面的場(chǎng)景：用魔棒將潭水變成冰。本來(lái)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(dǎo)，跟正常的熱傳導(dǎo)過(guò)程剛好相反，違反了熱力學(xué)第二定律。看一個(gè)有些“好吃”的例子：將雞蛋打碎，放進(jìn)鍋里煎，就做出了好吃的煎雞蛋。而相反的過(guò)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——?jiǎng)t不會(huì)發(fā)生。這同樣違反熱力學(xué)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(shū)撕碎了，都在空中自行復(fù)原，落回到書(shū)架上。所有這一切都違反熱力學(xué)第二定律。
