什么是热力学第二定律(热力学第二定律开尔文)


一滴可溶于水的墨水滴在水里,墨水会迅速均匀散开。一热一冷的两个铁块贴在一起,热的铁块会迅速将热量传导给冷的铁块,最终达到相同的温度。

为什么墨水滴进水里后,没有分布成其他特殊形状,也不会变回原来的墨水滴? 而两个铁块也不会出现热的更热,冷的更冷,或交替变热的情况呢?

就像苹果是掉到地上,而不是飞到天上一样,这种看起来理所应当的现象,背后往往隐藏着我们这个世界最基本的规律。我们刚刚提到的墨水和铁块的例子,所遵循的就是热力学第二定律,也就是我们今天的主题。

什么是热力学第二定律(热力学第二定律开尔文)图1

我们都知道,我们生活的世界,是由一个个做无规则运动的微小粒子组成的。粒子们运动得越剧烈,它们组成的物体温度越高。

而一热一冷的两个铁块,高温铁块内部的铁原子运动剧烈,低温铁块内部铁原子运动相对温和。那么,高温铁块把热量传到低温铁块,使两个铁块中铁原子运动的剧烈程度趋近,这就是符合热力学第二定律的。

克劳修斯对热力学第二定律的表述,说的就是热量从高温到低温这种温度传导的方向性。

什么是热力学第二定律(热力学第二定律开尔文)图2

而热力学第二定律真正的内涵,并不仅仅是热量传导的方向性,而是一个颇有哲学意味的结论——事物会自发地向混乱、无序的方向发展。

我们刚才说到的铁块一冷一热,本身就是一种秩序,两个铁块最终变成相同温度,其实也就是打破了原来的秩序;同样的,一滴墨水和一杯清水,也是一种秩序,墨水滴到水里散开,也就是打破了秩序,向混乱和无序发展。

如果我们再深究一步,这个所谓的“定律”到底是为什么呢?

宇宙真的就毫无理由地偏爱混,偏爱无序吗?

想解答这背后真正的奥秘,需要用统计学的工具。

我们来做一个有趣的数学游戏。想象你面前有两个箱子,你手里有四个小球,可以将每个球放到任意一个箱子里。每次放球,都是完全独立的,随机的。

通过简单的计算就会发现,四个球全都装在箱子A或B的概率,各是1/16;一三分,或三一分的概率则各是4/16;两个箱子各有2个球的概率是6/16。

什么是热力学第二定律(热力学第二定律开尔文)图3

可以看出来,两个箱子里球的数量,有较大的概率是接近的,较小概率会相差很大。如果我们将球的总数不断增加,会越来越明显地看到这个趋势。

什么是热力学第二定律(热力学第二定律开尔文)图4什么是热力学第二定律(热力学第二定律开尔文)图5什么是热力学第二定律(热力学第二定律开尔文)图6

……

不难想象,如果小球数量极大极大,那么在两个箱子的均匀分布,就几乎是一个必然事件。

现在我们联想一下开头的那个实验。滴入水中的颜料分子,就是数量巨大的“小球”,这些小球在水杯中的运动接近于完全随机,而水杯中的不同区域,就是一个个虚拟的“箱子”。

因此,从统计学角度来说,并不是我们的世界偏爱混乱和无序,而是混乱和无序本身,有更大概率存在。

什么是热力学第二定律(热力学第二定律开尔文)图7

所以说,斗地主老摸到一串电话号码,也是因为这种情况的概率本身就更大。以后你再摸一手烂牌,就别怪人家洗牌的了,其实这都是数学的套路呀!

什么是热力学第二定律(热力学第二定律开尔文)图8


希望我的解答对您有所帮助。

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