最令人绝望物理定律“熵增原理”:生命以负熵为食,最终走向消亡

胖福的小木屋

2019-07-13 10:51
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13世纪,一位叫亨内考的人提出了这样的一个疑问:轮子中央有一个转动轴,轮子边缘安装着12个可活动的短杆,每个短杆的一端装有一个铁球。右边的球比左边的球离轴远些,因此,右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去,并且带动机器转动。

这个轮子名叫“亨内考魔轮”,它让科学家做起了“永动机”的梦,科学家们幻想,一旦永动机诞生,人类将产生源源不断的能源,所以,有很多的科学家一直试图复刻“亨内考魔轮”,却都惨遭失败,然而无数的失败却没有打消科学家们的热情,反而对永动机的探索愈加狂热。

后来,文艺复兴时期意大利的达·芬奇也造了一个类似的装置,他设计时认为,右边的重球比左边的重球离轮心更远些,在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息,但实验结果却是否定的。

达·芬奇敏锐地由此得出结论:永动机是不可能实现的。事实上,由杠杆平衡原理可知,上面两个设计中,右边每个重物施加于轮子的旋转作用虽然较大,但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明,总会有一个适当的位置,使左右两侧重物施加于轮子的相反方向的旋转作用(力矩)恰好相等,互相抵消,使轮子达到平衡而静止下来。

尽管如此,科学家们一直没有放弃这个梦想,人们还提出过利用轮子的惯性,细管子的毛细作用,电磁力等获得有效动力的种种永动机设计方案,但都无一例外地失败了。

1847年,德国科学家亥姆霍兹发表了著作《论力的守恒》。他提出一切自然现象都应该用中心力相互作用的质点的运动来解释,这个时候热力学第一定律也就是能量守恒定律已经有了一个模糊的雏形。

1850年,克劳修斯发表了《论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定律》的论文。他认为单一的原理即“在一切由热产生功的情况,有一个和产生功成正比的热量被消耗掉,反之,通过消耗同样数量的功也能产生这样数量的热。” 加上一个原理即“没有任何力的消耗或其它变化的情况下,就把任意多的热量从一个冷体移到热体,这与热素的行为相矛盾”来论证。把热看成是一种状态量。

由此克劳修斯最后得出热力学第一定律的解析式:dQ=dU-dW

从1854年起,克劳修斯作了大量工作,努力寻找一种为人们容易接受的证明方法来解释这条原理。经过重重努力,1860年,能量守恒原理也就是热力学第一定律开始被人们普遍承认。能量守恒原理表述为一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。总能量为系统的机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和。

热力学第一定律宣告了永动机的破产,因为永动机违反了能量和质量的守恒定律,在任何的永动机设计中,我们总可以找出一个平衡位置来,在这个位置上,各个力恰好相互抵消掉,不再有任何推动力使它运动。所有永动机必然会在这个平衡位置上静止下来,变成不动机。热力学第一定律也促成了蒸汽机的诞生,直接导致了第一次工业革命的诞生,人类由此迈入了蒸汽时代,机械化生产时代开始到来。

而能量守恒定律的提出还是没有打消科学家们的梦,他们梦想着制造另一种永动机,希望它不违反热力学第一定律,而且既经济又方便。比如,这种热机可直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为机械功。由于海洋和大气的能量是取之不尽的,因而这种热机可永不停息地运转做功,也是一种永动机。

中国民科造的磁动机就属于第二种

简单来说,人们认识到能量是不能被凭空制造出来的,所以他们试图从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能,并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头,从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其它影响的热机这也被称为第二类永动机。

科学家认为只要做到了只有单一的热源,它从这个单一热源吸收的热量,可以全部用来做功,而不引起其他变化,第二类永动机就能够成功。

在这个时候,随着科学的发展,牛顿经典力学的一些局限性也暴露了出来,比如牛顿经典力学认为力学过程是可逆的,可逆性是指时间反演,即过程按相反的顺序进行。在经典力学的运动方程中,把时间参量 t换成-t,就意味着过程按相反的顺序历经原来的一切状态,最后回到初始状态。

而1850 年克劳修斯在论文中提出了一条基本定律:“没有某种动力的消耗或其他变化,不可能使热从低温转移到高温。“这个定律被称为热力学第二定律。而热力学第二定律则与力学过程的可逆性相矛盾。

所以克劳修斯在 1854 年的随笔《关于热的力学理论的第二基础定理的一个修正形式》提出了新的物理量来解释这种现象,,1865 年正式命名为熵,以符号S表示。

克劳修斯从热机的效率出发,认识到正转变(功转变成热量)可以自发进行,而负转变(热量转变成功)作为正转变的逆过程却不能自发进行。负转变的发生需要同时有一个正转变伴随发生,并且正转变的能量要大于负转变,这实际是意味着自然界中的正转变是无法复原的。

由此克劳修斯提出了热力学第二定律的又一个表述方式,也被称为熵增原理,那就是:不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。在自然过程中,一个孤立系统的总混乱度(即“熵”)不会减小。

简而言之就是孤立系统的熵永不自动减少,熵在可逆过程中不变,在不可逆过程中增加,可以说非常鲜明地指出了不可逆过程的进行方向。

熵增原理是热力学第二定律的另外一种表述形式,却又拥有更加深刻的含义,它创造了“熵”这个概念。这个概念在后来被广泛应用,香农把熵的概念,引申到信道通信的过程中,从而开创了”信息论“这门学科,从而宣告了信息时代的到来。

熵增原理表明,在绝热条件下,只可能发生dS≥0 的过程,其中dS = 0 表示可逆过程;dS>0表示不可逆过程,dS<0 过程是不可能发生的。但可逆过程毕竟是一个理想过程。因此,在绝热条件下,一切可能发生的实际过程都使系统的熵增大,直到达到平衡态。

绝热过程是一个绝热体系的变化过程,即体系与环境之间无热量交换的过程。在绝热过程中,Q = 0 ,有ΔS(绝热)≥ 0(大于时候不可逆,等于时候可逆) 或 dS(绝热)≥0 (>0不可逆;=0可逆)

熵增原理最大的意义就是从能量品质的角度规定了能量转换过程中的方向、条件和限度问题。

熵增原理的出现表示经典力学的可逆性并不适用于所有情况,它只在有普遍的力学原理做保证的情况下才准确,热运动就是一个不可逆的过程。同时也彻底宣告了永动力的灭亡。因为从海水吸收热量做功,就是从单一热源吸取热量使之完全变成有用功并且不产生其他影响是无法实现的。

而薛定谔就则指出,熵增过程也必然体现在生命体系当中。也就是说,生命体系中的熵也应该是不断增大的,也只能是从有序向无序发展。但是从某种角度上而言,生命的意义就在于具有抵抗自身熵增的能力,即具有熵减的能力,最典型的表现就是进食行为,我们从食物中汲取了“负熵”来维持生命的有序,即“新陈代谢的实质就是及时全部消除有机体无时无刻不产生的全部负熵”。这里的有序和无序是描述宏观态的。

因此,机体是在新陈代谢过程中成功地从周围环境中不断地吸收负熵,向周围环境释放其生命活动不得不产生的全部正的熵维持生存和进化的。总之,生命体是开放的、不可逆的非热力学平衡体系。平衡态是无序的,而非平衡态则是有序的根源,这是与热力学第二定律一致的,也是符合熵增原理的。薛定谔生动地用“生命赖负熵为生”这一句名言概括。

虽然如此,生命的减熵行为却起不到任何效果,毕竟在浩瀚无垠的宇宙当中,人类等生命简直是渺小到可以忽略不计。熵增的必然性和不可逆性,注定了生命只能从有序发展为无序,并最终走向老化、死亡。所以熵增原理也被很多人称为:最令人绝望的物理定律。(依据熵增原理,地球生物都会从从有序走向无序,也就是走向死亡!)

熵增原理适用于很多领域,包括与达尔文的进化论是否矛盾等。

而科学家对于熵增原理最大的争论是宇宙是否是一个封闭系统,因为熵增作用发挥作用的条件必须是在孤立系统系统中,然后达到平衡熵最大。孤立系统是在热力学之中,与其他物体既没有物质交换也没有能量交换的系统称为孤立系统 。任何能量或质量都不能进入或者离开一个孤立系统,只能在系统内移动。

而地球就是一个开放系统,熵增原理可以适用于生命,自然也能适用于地球,所以地球上的生物通过从环境摄取低熵物质(有序高分子)向环境释放高熵物质(无序小分子)来维持自身处于低熵有序状态。而地球整体的负熵流来自于植物吸收太阳的光流(负熵流)产生低熵物质。使得地球上会出现生物这种有序化的结构。不至于使熵一直处于增大的状态,

所以科学家就思考,宇宙是否是一个孤立系统,因为宇宙是不存在“外界”的,我们不断在消耗着能量,且不可逆,熵不断在增加正在走向它的最大值,因此宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全死亡。这种情景称为“热寂”,这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在。

而这引来部分科学家的反对,他们宣称熵增原理只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。而不适用于少量的微观体系,也不能把它推广到无限的宇宙。

由于涉及到宇宙未来、人类命运等重大问题,因而它所波及和影响的范围已经远远超出了科学界和哲学界,成了近代史上一桩最令人懊恼的疑案。

但不管怎么样,熵增原理作为热力学四大定律之一,指导着热力学的研究,在物理学中发挥着重大的作用。

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