熱力學第二定律

更新於 2024/12/14閱讀時間約 2 分鐘
波茲曼回應道,熱力學第二定律不是一個必然的規律,而是統計性的。熵並不必總是增加,而是有極大的可能性會增加。

因此,即便可能性極小,宇宙中也必然會出現隨機漲落而熵減小的情況,人類與生命此類高度有序的存在也因此而誕生。


《眺望時間的盡頭》
布萊恩.葛林

蒸汽機從燃燒的燃料吸收熱和熵,並把熱和熵釋放到較低溫的環境。燃料和環境的溫差就是重點所在。

要瞭解原因,想像你打開兩台一模一樣的小暖爐,其中一台擺在冰冷的房間,另一台則擺在高熱的房間。在冰冷房間裡,寒冷的空氣分子受了小暖爐攪動,導致它們移動得較快,分散得較廣,於是它們的熵也大幅增加。 在高熱房間裡,空氣分子已經移動得很快,也早就飛掠到廣大範圍,因此小暖爐只略微增加它們的熵。

所以,即便兩台小暖爐完全相同,它們轉移到周遭環境的熵,仍是不同的:兩台小暖爐所產生出的熱是相等的,擺在較寒冷環境裡的那台,轉移了較多的熵。
因此比較寒冷的環境,把所接收的給定數量的熱放大了,也構成了較大的熵增加現象。

瞭解了這一點,我們就知道,蒸汽機只需把所吸收的熱排放一部分到比較寒冷的環境,也就能把它得自較熱燃料的熵,全部予以排除。接著殘餘的熱就可以運用來驅動蒸氣膨脹,推動活塞並完成有用的功。
這是解釋說法,不過別讓細節遮蔽了更大的結論:隨著時間流逝,物理系統會以高得出奇的可能性,從較低熵組態朝向較高熵組態演變。

倘若像蒸汽機這樣的系統試圖維繫它的結構完整性,那麼它就必須把它所累積的熵轉移到周遭環境,藉此來克服熵增加的自然趨力。要辦到這點,蒸汽機就必須把廢熱釋放到環境中。

熵的兩步法則是宇宙的核心特徵,循此它便能朝向漸增無序狀態發展,同時卻又能生成並支持像恆星、行星和人類這樣的有序結構。
蒸汽機每走過一次循環都必須重設熵態,或許你會感到納悶,萬一沒有完成這件要項,倘若熵重設失敗,結果會是如何?

這就相當於蒸汽機並沒有排放出適度廢熱,於是蒸汽機每走過一次循環都會變得越熱,直到最後它就會過熱並損壞。
然而這同一門物理學,卻也是生命和心智是否無止境延續到遙遠未來的核心關鍵。

箇中道理是,在蒸汽機能成立的,在你身上也同樣成立。
你很可能並不覺得自己是一台蒸汽機,或許連什麼奇巧實體裝置都不是。我也很少使用這些詞彙來形容自己。

不過請想想看:你的生活牽涉到的歷程,和蒸汽機的歷程同樣是種週期循環。日復一日,你的身體燃燒你吃下的食物和你呼吸的空氣,來提供能量供你執行內部運作和外顯活動。就連思考這項活動—發生在你腦中的分子運動—也是由這些能量轉換歷程來提供動力。

因此就像蒸汽機,除非你能清除過量廢熱並排入環境來重設你的熵,否則你就活不下去。
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