根据热力学第二定律,即使存在最高上的仙神也会被时间所磨灭? 热力学第二定律岂是你想推翻就能推翻的?

作者&投稿:何轰 (若有异议请与网页底部的电邮联系)

热力学第二定律指出,宇宙将趋于高熵状态。如果事实如此,那么当宇宙中所有的物质处于混乱状态时将会发生什么?物质还如何守恒呢?

让我们从第二个问题入手。物理学家往往倾向于说能量是守恒的,而不是说物质守恒。在相对论中,我们可以将一个(物体或能量)转换为另一个,在此过程中能量永远守恒。这一说法并不与热力学第二定律相冲突,热力学第二定律指出,在封闭系统中,任何过程都可以保持熵的总值不变或增加。这些理论的关键在于能量的形式,现在在宇宙中存在许多将不同形式的能转换成热能的过程。那么问题是,如果所有的可用能量都转换成了热能,将发生什么呢?

这在19世纪是个热门话题,当时的人们称这个问题为“宇宙的热死亡”。简言之,一旦宇宙中的所有能量都被转换为热能,那么宇宙将处于平衡状态—即所有的事物都将处于同一温度并且熵的总量将恒定不变。而事实是宇宙在不断膨胀,那么就要在这个理论基础上更深化一点,一个不断膨胀的宇宙是永远无法达到平衡状态的,但是19世纪的科学家们并不知道宇宙膨胀理论,所以他们只是假设宇宙是静态的。

在这样一个膨胀的宇宙中,光子间存在一种“热浴”现象,这些宇宙微波背景下的光子“温度”是2.78开尔文,这个温度着实很低,并且显然要比你我或是太阳都要低得多,所以在宇宙的热浴中,我们并没有处于平衡态。但是随着时间的推移,随着太阳表层氢气的燃烧、行星间的碰撞与分裂、以及粒子的衰减等等,所有的事物最终都将以光子或其他基本粒子的形式存在,从而达到平衡状态,这就是热量转换的过程。但是我们现在无需担忧宇宙因为热量转换而导致的消亡结局,原因在于,我们周围的事物都转换为热量所需要的时间远远大于现在宇宙的年龄,我们的宇宙只是在十分十分缓慢地走向平衡。

热力学第二定律表明,宇宙的总熵永远不会下降。和其他热力学定律一样,第二定律也建立在大量的数据基础上,并且通过假想房间中的氧气分子,这一定律可以很直接地被证实。

熔冰——增熵的经典例子,1862年被鲁道夫·克劳修斯描写为冰块中分子分散性的増加。

假设最开始的时候,所有的氧分子都以一个完美且规则的排列方式聚集在房间的一个角落里。随着时间的推移,我们发现氧分子将开始扩散。一个房间一样大的空间里,氧分子有无数种排列组合的方式,但是其中只有非常少量的一部分与其初始状态一样有序。同样地,我们可以理解为什么粒子在空间中随机分布的状态是最有可能的。通过这两个简单的例子,我们可以推断出这样的结论:随着时间的推移,房间中的空气分子将不断扩散直至他们都变成随机分布的状态。理论上来讲,通过计算所有可能存在的状态数可以确定熵的数值。

这个思维模式使得物理学家开始质疑时间的流向。在我们假设的房间里,短时间内氧气分子的确有可能变得更为有序,但是总体上看他们必然趋向于无序状态。所有可以验证氧气分子运动规律的物理学定律(牛顿力学定律和经典电磁学)都是可逆的,所以对于一系列随机分布的粒子,其如前所述的运动模式应当同样可逆。但是事实恰恰相反,这是因为无论我们以何种方式取时间节点,粒子都将以该节点为时间起点开始扩散。

热力学第二定律说,涉及热能转移或转换的过程是不可逆转的。 图片来源:Hayati Kayhan

在宇宙中我们观察到了时间明确的方向。虽然没有人知道为什么时间的流向是这样子的,但是如果时间逆向,那么根据第二定律,所有我们已知的高级生命都将不复存在。

一个公认的观点是,宇宙最初的状态必然是比现在更加紧凑有序的。如果大爆炸的假设成立,那么宇宙的初始熵为零。即使是现在,我们都可以观察到宇宙中物质不断扩张和冷却的过程(即宇宙微波背景)。如果我们应用热力学第二定律来解释此过程,那么宇宙必然会继续扩张,也会变得更为无序,并且当宇宙生存时间足够长,其中的物质将会均匀分布、熵值最高,最终导致“热死亡”。在上述过程中,可能存在一些几乎可视作无限小的波动,但是除了那些波动,宇宙终将走向灭亡。

最后需要注意的是,黑洞似乎是违反热力学第二定律的,因为奇点是物质最有序的形式,所以应该熵值为零。但是,史蒂芬霍金证实了黑洞所吸收的物质熵存储在其事件视界的表面区域,因此当黑洞由于霍金辐射衰变时,这些物质熵也将被释放回宇宙中。

有一些相当有见地的第二定律等价命题:

1)一个过程中,如果系统的初态和末态相同,那么热不可能全部被用来做功。

2)热将自发性从一个高温物体流向低温物体。

3)熵的变化等效于沿可逆路径的热量变化除以温度。

4)孤立系统的熵总是在自发过程中增加。

最后一种定义本质上就是我们正在讨论的那个。

“熵是无序的”,这一说法严格来说并不正确,但是不幸的是,这个概念已经广为流传了。

黑洞(中)在大麦哲伦星云前面的模拟图。请注意引力透镜的影响,产生了放大的,但高度扭曲的星云的两个影像。在顶部的银河系盘面扭曲成一个弧形。

考虑这样的情况:液体凝固成一个分子有序排列的晶体;根据熵的上述定义方法,这一过程应该永远不会发生,但是我们知道这个过程是存在的。为什么?

对于熵的更好的一个定义方法是由波兹曼提出的,基于统计力学规律的:

熵可以被认为是与系统内部自排序方式的数量直接相关,每一种排序方式都构成了系统的一个“微观状态”。

因此,一个系统力求其不同微观状态的总数最大化。

为了更清晰地说明这个原理,试想一个充满气体的容器。其中的气体所占体积恒定、所处温度恒定。在这个容器中,气体分子将不断运动,如果在某一时间点暂停这个系统中的所有分子活动,我们将发现这些分子都停留在一个固定位置上。将这些分子的位置信息汇总即可得到一个系统的微观状态。那么现在我们将系统重启备份,稍后终止运行,在此过程中我们(或许)将发现这个系统处于一个与之前备份不同的状态。系统运行足够长时间后,这个系统将遍历所有可能的微观状态,并最终处于同一微分状态。而这个系统所有可能的微观状态越多,这个系统的熵就会越高。

这样子理解这一定律后,不难发现熵与系统无序与否无关,而与系统微观状态有关。

熵值总是不断增加的,因为当一个系统可能的微观状态最多时,这个系统达到最稳定的状态,而系统的无序性不是其影响因素。

物质不一定守恒,而能量一定守恒。

下面考虑这样一个案例:两个原子经历核反应并不断释放能量,这一过程与原子弹或是核反应容器中的核反应相似。这个产品的质量(物质量)必然将小于初始状态的数值—质量消失了!这是因为失去的物质质量转换为能量了。

爱因斯坦提出了质量损失与产生的能量之间的关系方程:E=mc^2

能量而不是质量是守恒的。



热力学定律,证明不了仙神存在时间。

如果神仙是一个理想封闭的热力系,也许不会消失,因为能量不会凭空产生也不会凭空消失。

根据热力学第二定律,即使修炼成仙也只是延迟了寿命结束而已?~

不,不会,热二说的是,只要不补充能量,系统就会趋于耗散,你吃东西就是补充能量,所以即使不修炼成仙有些动物也可以长生不老,比如水母,比如龙虾,除非整个宇宙的能量耗尽,否则,只要你从外界吸取能量就能维持系统的负熵


根据热力学第二定律,即使存在最高上的仙神也会被时间所磨灭?
答:如果我们应用热力学第二定律来解释此过程,那么宇宙必然会继续扩张,也会变得更为无序,并且当宇宙生存时间足够长,其中的物质将会均匀分布、熵值最高,最终导致“热死亡”。在上述过程中,可能存在一些几乎可视作无限小的波动,但是除了那些波动,宇宙终将走向灭亡。最后需要注意的是,黑洞似乎是违反热力学第...

热力学第二定律的内容
答:热力学第二定律的内容如下:热力学第二定律:探寻自然界秩序的不可逆规律 热力学第二定律是热力学中的一项基本原理,揭示了自然界中不可逆的物理过程和宏观现象。该定律的核心思想是热量不会自发地从低温物体传递到高温物体,自然界中的热现象总是朝着更高熵的方向发展。热力学第二定律的表述:1、克劳...

怎样用假设方案证明地球是球体
答:按照这种解释,热平衡态附近总存在着偶然的“涨落”现象,这种涨落现象并不遵从热力学第二定律。由此,波尔兹曼将气体分子运动论的观点推广到宇宙中,认为整个宇宙可以看成类似在气体状态的分子集团,围绕着整个宇宙的平衡状态则存在着巨大的“涨落”。即使在与整个广延的宇宙相比极其渺小的恒星系和银河系中,在短时期内也存...

热力学第二定律
答:热力学第二定律指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原,要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用。资料扩展:热力学第二定律(second law of thermodynamics),热力学基本定律之一,克劳修斯表述为:热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。开尔文表述为:不可能从单一热源取热使之完全转换为有用...

热力学第二定律怎样理解?
答:2.在热力学中具体还需要参看克劳修斯和凯尔文的解释。开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用功而不引起其它变化。克劳修斯表述:不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。3.在热力学中主要揭示热机效率的问题。在其他方面,如进化论的证明方面也起作用。用生动的语句描述就是...

热力学第二定律
答:开尔文表述:不可能从单一热源吸热做功而无环境影响。克劳修斯表述:热量不能从低温传到高温而无环境影响。奥斯特瓦德表述:不存在第二类永动机。可以利用卡诺热机证明,这三种表述是等价的。热力学第二定律的两个特性:1、孤立系统 从分子运动论的观点看,作功是大量分子的有规则运动,而热运动则是大量分子...

热力学第二定律是什么?
答:热力学第二定律(second law of thermodynamics),热力学基本定律之一,表述如下:克劳修斯表述为:热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。开尔文表述为:不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。熵增原理:不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。在自然过程中,一个孤立系统的总...

热力学第二定律为什么是死亡定律
答:热力学第二定律真实的反映了热力学系统的方向性和不可逆性,但当其应用于宇宙时,却得出了一个令人生畏的结论热寂说!热寂说指出:如果热二律是正确的,那么宇宙这个系统的熵将最终趋向一个最大值。克劳修斯曾指出"宇宙越是接近熵为最大值的极限状态,它继续发生变化的可能性就越小,当它最后完全达到...

请高手叙述热力学第二定律
答:热力学第二定律 (1)概述 ①热量总是从高温物体(系统)传到低温物体,但不能不带有其他的变化,把热量从低温物体传到高温物体。②功可以全部转化为热,但任何热机不能全部地、连续不断地把所获得的热量转变为功。(2)说明 ①热力学第二定律是热力学的基本定律之一。它是关于在有限空间和时间内,一切...

这个定律的资料:“火商 增定律”【·第一个字是火字旁加商字的结合...
答:这是一条最基本的定律;所以人们把它称为“热力学第一定律”。 克劳修斯所提出的熵随时间而增大的说法,看来差不多也是非常基本的一条普遍规律,所以它被称为“热力学第二定律”。 描述热力学系统的重要态函数之一。熵的大小反映系统所处状态的稳定情况,熵的变化指明热力学过程进行的方向,熵为热力学第二定律提供了...