熵是什么？石油枯竭的后天|热力学第二定律应用

2024-03-13 理论教育版权反馈

【摘要】：1．熵是什么熵，对于不少读者来说，或许是一个陌生而叉古怪的术语。evrporla表示变化的容量。火，象征着热；商，则是数与数相除，表示两种状态之比。因此，我们称其是不可逆的变化过程。推而广之，一个体系处于最“整齐”的状态时熵最小，而在最“混乱”的状态时熵最大。对抗这一方式无异于与自然为敌。进一步提升到科学理论的层面，上述的这些现象其实就是自然科学中著名的“热力学第二定律”在广义层面上的应用。

1．熵是什么

熵，对于不少读者来说，或许是一个陌生而叉古怪的术语。它源于希腊语。evrporla表示变化的容量。平心而论，在汉字中，熵的意义更为形象，火字旁加个商。火，象征着热；商，则是数与数相除，表示两种状态之比。嫡正是这样一个取自于热力学的重要概念，用以度量某一种系统自发地从有序向无序的转化过程。

在日常生活中，我们都有这样的常识，一杯沸水置于室内会不断散发热量，直至水杯的温度与室温相同。仔细观察这种现象会发现明显的特点，那就是这个过程是自然而然发生的，而且无法自发地恢复到最初的状态。也就是说已经散失在室内的热量，不可能自动地重新聚集到杯中，使水再次沸腾。因此，我们称其是不可逆的变化过程。类似的例子不胜枚举，如滴人玻璃水杯中的墨汁会向周围扩散，直至杯中水全部染黑；一瓶开盖的香水会在房间散发香味，不久就让整个房间飘香等等，都是同样的道理。

对于“有序”和“无序”的概念，我们可以通过下面的情形浅显地予以说明。如果我们观察橡皮筋的结构，就会发现它的结构在放松与紧绷的时候是完全不一样的。放松的时候橡皮筋的结构像一团乱麻交织在一起。而当橡皮筋拉长紧绷时，那些如同链状的胶粒就沿着拉伸的方向整齐划一地排列起来。于是我们可以看到两种状态，一种是自然，或者自发的状态。在这种状态下，我们称橡皮筋的结构呈“无序”或“混乱”的状态；而另一种是借助于外力而规则地排列起来的状态。我们称之为“有序”或“整齐”的状态。如果用熵的概念来度量这种“有序”或“无序”的状态，我们说橡皮筋的结构呈“有序”状态时熵小，呈“无序”状态时熵大。推而广之，一个体系处于最“整齐”的状态时熵最小，而在最“混乱”的状态时熵最大。

我们经常见到风扫落叶飞的场景，一般习以为常以至于无暇思考。事实上这蕴含着同样深刻的哲理。对于落叶而言，其堆积越散乱，熵值越大，而这时的状态更容易保持。因为如果有外力的介入，比如秋风扫落叶，其无非是增加了落叶的混乱度，熵值就更大。因此，落叶纷飞是最可能出现的状态，最容易被观察到。从这个意义说，散乱的落叶是自然的常态。而落叶整齐地排成一列可看作其最有序的状态，这时熵值最小，所以这种状态最不容易保持，因为那怕轻微的一阵风也有可能破坏这种有序的状态，使得这种有序状态向无序状态改变，从而使得熵值增大。因此，这种落叶整齐排列的状态是最不可能出现的状态，观察到的可能性几乎为零，除非人为地把落叶摆成整齐的一列，否则自然情况下难以见到。当然，自然科学意义上的熵概念是严谨的·更是干巴巴的，远不是上文表述的这般意象化。我们在探讨过程中并不拘泥于严格的定义或概念的限制，而主要是专注于阐述现象背后所蕴含的深意。

由此类推到沸水自发地向室内散发热量这一日常现象，那么道理就不言自明了。如果把房间和杯子看作是一个与外界绝缘的孤立系统，那么沸水中的水蒸气分子扩散到房间中，使得系统向更无序的趋势变化，系统的熵增大，直至最终水杯的温度与室温相同，热量传递过程就此结束，这时系统的熵值最大，也就是日常生活中最可能出现的情况。由此，沸水向室内散发热量就成为自然而然的过程，成为自然的常态。在大自然中，我们看到雄伟嵯峨的高山，经过长年的风化，逐渐变成砂砾乱石，老树千年，最终也要枯萎风干，零落成泥。这看起来无法阻挡和改变，一切似乎都有无形之手在支配；所谓覆水难以再收，破镜不可重圆，这看似浅显普通的道理，其实蕴含着对不可逆的概念朴素而叉深刻的认识；如果再作联想，那么唐诗“年年岁岁花相似，岁岁年年人不同”中所咏唱的物是人非的感怀也就再正常不过了，年年岁岁所不同的便是熵增加了，人老物衰终究难以抗拒，这是有形世界的自然流露。中国古代的伟大先哲老子讲求无为而治，也就是遵循自然法则，而不妄为。筒而言之就是按照最自然的方式行事，而最自然的方式其实就是熵增加的方式。对抗这一方式无异于与自然为敌。从上述意义上说，追求长生不老就好比痴人说梦。

进一步提升到科学理论的层面，上述的这些现象其实就是自然科学中著名的“热力学第二定律”在广义层面上的应用。上世纪八十年代，美国作家里夫金等在所著的《熵：一种新的世界观〉 -书中，将这一原理引入到了社会生活领域。由于书中的视角新颖且独到，一时间引发热议。

热力学第二定律也称作“孤立系统熵增原理”，可表述为：孤立系统的熵永不减少。换句话也就是说，孤立系统中的物质总是从有序向无序转变，向着混乱度最大的趋势变动。(www.chuimin.cn)

如果将我们所处的地球看作是一个孤立系统，那么物质总是向着混乱度增大的趋势运动。因此，从这个角度说，我们所处的世界将会越来越趋向于无序。但事实上，世界的演进看起来是一种更加有序化的过程。人类社会的发展过程也越来越严密，呈现出一种整体上的有序状态。之所以会出现这种矛盾，那是因为我们所处的地球并非绝对意义上的孤立系统。我们与地球外空间有能量和物质的交换，未来甚至会有文明的交流，或许已经发生或正在发生这样的文明交流，只是地球人不曾察觉而已。因此，将自然科学的原理在广义层面上进行应用的时候，需要考虑适用的条件和范围，不能片面化，更不能极端化。历史上曾有过把“孤立系统熵增原理”应用于整个外太空，从而得到了宇宙行将死寂，人类社会必将停滞的悲观论调，即著名的“宇宙热寂说”。其实这正是错误地应用了科学原理的适用条件及范围，从而片面地得到结论。

而对于有序或无序的状态而育，其在宏观与微观层面上的表现也有所不同。从自然科学的角度看，某一个系统在宏观上的无序与微观方面的有序并不相悖。1977年诺贝尔化学奖得主，比利时物理化学家普里高金提出的“耗散结构理论”正是说明了微观层面上无序的系统中也会发生向有序方向的转变过程，也就是所谓的“自组织现象”。而从人类社会的宏观意义上看，社会整体的有序与局部的无序同样也不冲突。社会整体的有序通常要建立在局部无序的基础上，特别是作为社会成员的个人，其思想与行为的发展是从有序走向无序的，是趋向于自由的。如果要求社会每个成员的步调都整体划一，这种要求其实是反社会潮流的，只有在古代的威权社会下才有可能实现。而且，这种规整的有序结构在某些时候会导致更加不稳定的情形出现。因为整齐划一的结构意味着组织力的同时，也意味着更大的破坏力。此外，我们能否由微观上有序，就得出宏观上一定更有序的结论吗？不一定。有时候情况恰恰相反。宏观的无序状态产生不是源于微观的无序，恰恰是源于微观的过于有序a例如多米诺骨牌。倒掉一张牌，将会导致成千上万张牌倾覆，这正是源于相互之间有序的排列。如果将骨牌在空间杂乱地分布，那么仅倒下一张牌，并不会导致整体坍塌的事件。导致那种无序结构的出现是极其容易的。而要将坍塌的骨牌恢复到原先的有序状态，却需要费时费力地精心加以码放。这说明事物通常具有某种方向性，如果要反这种趋向而动，我们就需花费额外的代价。在看待和分析问题时，我们不能忽视熵理论的价值；当然，我们也不能过分强调和夸大熵理论的作用，从而陷入无所不包的“唯熵论”的藩篱中。熵理论只是让我们多了一面认识世界的镜子，提供了另外一种世界观而已。

总而言之，熵理论是有着广泛的科学意义的，它首次把不可逆的概念应用到科学领域。我们知道，牛顿力学研究的是可逆过程。如作用力和反作用力，虽然方向相反，但大小相等。但热力学则不同。自然科学的熵原理指出，孤立系统中，热总是自发地从高温物体传到低温物体，反之则不可；机械运动可以全部转化为热运动，反之则也不可，因为热能不可能全部转化为机械功；电能可以全部转化为热能，反过来同样也不可。所以，我们从热力学第二定律可以推断出，无论是不消耗任何能源的机器，还是消耗一部分能源，但热效率达到100%的机器，这些所谓的“永动机”都是不切实际的。。尽管永动机被那些狂热的“理论家”朝思暮想般地热切寻求，殚精竭虑式地倾心设计，但实践证明都只是空想，历史上也从来没有真正制造出来，况且也不可能制造出来，因为它违背了科学。

虽然制造永动机的种种热望早就被无情地浇灭了，但令人诧异的是，现实社会中有关永动机研制的事例却仍然层出不穷。远的不说，上百年前有关永动机的各种不切实际的雏形，许多尚未成型便已胎死腹中；近的如中国河南省的南街村集团就有过同样的惨败经历。2000年伊始，南街村集团的“当家人”王宏斌董事长曾决策并投入2000万元巨资研制永动机，并夸下海口说要全面替代石油。结果可想而知，所有的投资后来全部打了水漂，以方便面生产而扬名的南街村集团至此一蹶不振，教训不可谓不惨痛。试想一下，作为项目决策人的王宏斌先生事先如果了解一些能源利用方面的知识，或者征询一下相关专家的意见，这种不着边际的投资项目事实上是完全可以避免的。等到事后再想起补充有关熵的理论知识，看起来已经于事无补了。而这恰恰契合了熵的意义，即事物通常表现出的不可逆性。

对于世间万物而言，静止是相对于运动而存在的。正所谓世界唯一不变的法则就是它永远在变。但是这种变化并不是无章可循的肆意乱变，某种意义上说，我们能够给其贴上指向的标签。英国著名天文学家爱丁顿爵士把熵喻为“时间之矢”，颇为形象而贴切。它标示着科学再也不能不顾及时间的方向了。牛顿力学解开了太阳系运行之谜，这无疑是牛顿的伟大功绩。但是，太阳系是不是永远这样运行呢？按照牛顿力学，回答是肯定的，而且不仅太阳系如此，任何物体一旦初始条件确定，就将沿着既定的轨道运行，与时间无涉。但是从熵概念的角度来说，牛顿力学的论断值得进一步商榷。因为天长地久，终有尽时。随着时间的流逝，一旦系统的熵增加到某一临界值，太阳系就再也不能像原先那样运行了。情况就是这样，尽管太阳的运动在人们的视觉空间上是可重复的，可是在时间上却不能重复了。太阳每天东升西落，但太阳每天都是新的，今日的太阳已不再是昨日的太阳了。事实上，连宇宙都会“衰老”，更何况作为宇宙一粟的太阳系。

熵的引入使科学从存在转向了演化，这是其最本质的意义。从这个意义上说，有机世界与无机世界都在演化，唯一的不同在于其时间尺度，有机世界的演化相对短暂，而无机世界的演化遥远而漫长罢了。

熵是什么？石油枯竭的后天|热力学第二定律应用

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