熵和热死
热机的例子说明了的许多方法之一热力学第二定律可以应用。概括的例子的一个方法是考虑热引擎和它的热源作为孤立的部分(或关闭)system-i.e。,一个不与环境交换热量或工作。例如,热机和储层可能是包裹在一个刚性容器隔热墙。在这种情况下,热力学第二定律(在这里给出的简化形式)说,不管过程发生在容器内,其熵必须增加或保持同样的限制吗可逆过程。类似地,如果宇宙熵是一个孤立的系统,那么它也必须随着时间而增加。事实上,含义是宇宙最终必须受到“热死”作为其熵逐渐增加到最大值和所有部分进入热吗平衡在一个统一的温度。在这一点上,没有进一步的改变包括热量转化为有用的工作将是可能的。一般来说,一个孤立系统的平衡态是精确,最大熵的状态。(这相当于另一个定义的术语熵作为衡量系统的障碍,这样一个完全随机分散的元素对应于最大熵,或最小信息。看到理论:信息熵。)
熵和时间之箭
的不可避免的熵的增加时间孤立的系统提供了一个“时间之箭”的系统。日常生活没有困难区分从其逆转时间的向前流动。例如,如果一个电影展示了一杯温水自发地改变成热水与冰漂浮在上面,它会立即明显,这部电影是运行向后,因为加热的过程从温水流向热水将违反热力学第二定律。然而,这种明显的不对称性之间的正向和反向流动的方向时间不坚持基本层面的交互。一个观察者看电影显示两个水分子碰撞将无法判断这部电影是向前或向后运行。
那么什么是之间的联系熵和热力学第二定律吗?回想一下,热在分子水平上是随机的动能的运动分子,分子之间的碰撞为运输提供微观机理热能从一个地方到另一个地方。因为个人碰撞被逆转时间的方向不变,热量可以一样在一个方向流动。因此,从的角度来看基本交互,没有什麽能阻止一个随机事件的缓慢(冷)分子发生一起收集在一个地方,形成冰,而周围的水变得更热。这样的偶然事件随时可能发生船只包含几个水分子。然而,同样的事件从未被观测到的机会在一个盛满水的杯子,不是因为他们是不可能的,但因为他们是极其不可能的。这是因为即使是很小的一杯水分子包含一个巨大的数量的互动(约1024),使它不太可能,在他们的随机热运动的过程中,冷分子的一个重要部分将收集在一个地方。虽然这种自发违反热力学第二定律是不可能的,一个极其耐心的物理学家将不得不等待宇宙年龄的多次看到它发生。
的前演示了一个重要的点:热力学第二定律统计在自然界中。它没有意义在单个分子的层面上,而法律变得本质上准确描述的大量相互作用的分子。相比之下,热力学第一定律表达了能量守恒,仍然是完全真的,甚至在分子水平上。
冰融化的例子在一杯热水还展示了其他意义上的术语熵,作为一个增加随机性和并行信息丢失。最初,总热能是分区这样所有的缓慢(冷)分子位于冰和所有的快速移动(热)分子位于水(或水蒸汽)。冰融化后,系统热平衡,热能是均匀分布在整个系统。统计方法提供了大量有价值的洞察热力学第二定律的意义,但是,从应用程序的观点,物质的微观结构变得无关紧要。经典热力学的美和力量,其预测是完全独立于物质的微观结构。