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能否尽量通俗地解释什么叫做熵?

熵就是物体混乱程度的一种度量。即衡量物体到底有多混乱的一个物理量!如上图所示,日常生活中我们吃的食物、饮用的水,还处于比较低的熵,即还是比较有规律的,但是被人体食用、饮用完,以后再被消化道消化、吸收以后再分泌、排泄出去,就成了分泌物、排泄物,就成了高熵物体。

所以现实生活中,虽然我们知道世界的能量是守恒的,但是为什么我们还要节约能源呢?其实这主要就是因为,虽然能量是守恒的,但是因为反应前的能源的熵值更低,而反应后的熵更高,因而相当于破坏了物体内部的结构。如日常生活中煤的燃烧,在燃烧以前还是比较有序的能源,燃烧以后开始变成二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢以及粉尘等,这些都是极其无序的。可见熵增加以后,再想把这些高熵的无用物体变成低熵的有用能源,还需要一个长期的过程(如下图所示),这一过程短则几千万年,长则几亿年!由此我们可以知道,虽然能量是守恒的,但是由于我们在利用能源的过程中,使能源由低熵变成高熵,而要想从高熵转变成低熵,又需要一个极其长的时间(短则几千万年,长则几亿年),因此我们必须节约能源,保护各种自然资源和自然环境!


总之,熵就是物体混乱程度的一种度量。即物体熵增加时,表示其混乱程度是增加的,也表示其利用价值在极速下降,具体可以参考面包变成排泄物,煤炭变成雾霾。而反过来,由高熵的物体变成低熵的能源,需要几千万年、甚至几亿年的时间。因此,我们必须节约能源,保护自然资源和环境!

熵的概念源自热力学,用于表征系统的无序度(或说混乱度)。无序度越高,熵越大,系统也越稳定。在热力学中,无序是指系统所能达到的不同微观状态的数量,因为系统有一个特定的组成、体积、能量、压力和温度。


热力学第二定律表明,孤立系统总是存在从高有序度转变成低有序度的趋势,此即为熵增原理。例如,打碎的玻璃无法复原、墨水滴入清水中会逐渐分散、鲜花开放会使周围香气四溢。这些自发过程都是不可逆的,系统的混乱度会变高,即熵会增加。按照熵的定义,同一种物质在不同状态所具有的熵是以如下的顺序排列:气态>>液态>>固态。


此外,温度也会影响系统的熵。举个例子,用火加热水壶中的水,不久后,水就会沸腾。本质上,火的热量使水分子的热运动加剧。如果热源被移走,水会自发地冷却到室温。这也是由熵增引起的,因为水分子倾向于消耗掉所积累的势能,从而会把热量释放掉,最后处于一种较低势能的状态。


我们知道,从大爆炸以来,宇宙一直在不断膨胀。如果我们的宇宙是一个孤立的系统,由于熵增原理,宇宙的无序度会随着膨胀而逐渐增加。在一定的时间之后,熵增加到最大,宇宙的无序度达到最大,最终整个宇宙达到热平衡的状态,一切演化全部终止,这是宇宙的可能归宿之一,即热寂。然而,如果宇宙中存在某种机制能够使熵减少,比如真空中的随机量子涨落,宇宙最终可能又会回到最初的奇点,进而再次大爆炸。 

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