Question

热力学和熵

Answer 1

热力学第一定律告诉我们能量是 守恒 的，完整的表述如下：

那么问题来了，既然能量是守恒的，我们为什么要担心 能源 危机呢？

比如曾经就有人想过设计一个机器，它能从海水中获取能量，比如它只要能使整个海水的温度降低0.01度，则机器对外所做的功就可供全世界的工厂上千年之用。

这个设想完全符合能量守恒定律，但是现实证明这是做不到的，它违反了热力学第二定律，这个定律有下面3种表述形式：

其中第1点比较容易理解，我们把要把冷水烧开必须加热，但是不需要任何干预，开水会慢慢变成冷水。

第2点的意思是能量转换是 有方向 的，比如我们都知道 摩擦生热 ，做功可以生热，但是如果反过来，热要转化成功的效率是很低的。

第3点提到了 熵 的概念，什么是熵呢？能量转换的时候，大部分能量会转换成预先设定的状态，比如热能变成机械能、电能变成光能，但是在转化过程中，总是有一部分能量会 被浪费掉 。比如，汽油含有的能量可以转化成发动机的能量，但是会伴随产生大量的热能和废气，即使科技再发达，也无法将被浪费的能量减小至零。我们把无法再被利用的能量叫做 无效能量 ，根据能量守恒定律，公式如下：

熵就是系统中无效能量 。宇宙的能量总和是一个常量，而每一次能量转化，必然会产生无效能量，因此有效能量越来越少，无效能量越来越多。直到有一天，所有的有效能量都变成无效能量，那时将不再有任何能量转化，这就叫宇宙的 热寂 （Heat Death），所以，热力学第二定律又叫熵增定律。

熵和时间很像，都是 只增不减和不可逆转的 ，所以熵又被称为 时间之矢 。