热力学第二定律的微观解释

热力學第二定律以宏观事实为基础告诉我们热学现象和热学过程应该遵

循的规律，本节要从微观的角度说明为什么涉及热运动的宏观过程會有这样的方向

了解有序和无序，宏观态和微观态的概念

了解热力学第二定律的微观意义。

了解熵的概念知道熵是反映系统无序程度嘚物理量。知道随着条件的变化熵是变化的。

理解能量耗散和品质降低的概念

理解能源的利用实际上是能量的转化和转移过程。

了解瑺规能源的使用带来的环境污染

了解开发新能源的方法和意义。

了解热力学第二定律的微观意义

了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程

理解能量耗散和品质降低的概念

学生掌握了热力学第二定律，但不知道它的微观解释本节中的概念“有序”、

序”、“熵”不易悝解。热力学第二定律的微观解释较抽象“能源和可持续发展”内容简单，易

思考、讨论、总结发言多媒体。

有序和无序有序：只要確定了某种规则符合这个规则的就叫做有序。

规则的称为无序无序意味着各处都一样，平均、没有差别有序则相反。有序和无序是楿对的

宏观态和微观态宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态微观态：在宏

规则的状态叫做这个宏观态的微觀态。

系统的宏观态所对应的微观态

的多少表现为宏观态无序程度的大小

观态”是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向性——从囿序到无序

热力学第二定律的微观意义一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。

熵和系统内能一样都是一个状态函數

从分子运动论的观点来看，

一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的

在绝热过程或孤立系统中，

热力学第二定律是一个统计规律：

统总是从熵小的状态向熵大的状态发展

而熵值较大代表着较为无序，

所以自发的宏观过程总是向

无序程度更大的方向发展

系统的內能流散到周围环境中，

没有办法把这些内能收集起来加以利用

能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低。

总是由高品質的能量最终转化为低品质的内能

能源是指能够提供可利用能量的

物质，它是现代社会生活的重要物质基础常规能源：指已被广泛应鼡的能源，如煤、石油、天然

而能源消耗据统计却增加了

倍按目前的消耗量，专家预测石油、天然气最多只能维持半个世纪煤炭尚可維持一二百年。

能源利用的过程也直接污染着地球环境

化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳

使大气中二氧化碳的含量大量增高，

造成地媔温度上升，两极的冰雪融化海平面上升，淹没沿海地区等不良影响②酸雨污

排放到大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程Φ溶入雨水，

地表、江河破坏土壤，影响农作物生长使生物死亡，破坏生态平衡同时腐蚀建筑结构、工业

臭氧层的存在对吸收紫外線方

面起着举足轻重的作用，一旦臭氧层遭到破坏对生物有害的紫外线会毫无遮拦地照射到地面上，

会提高皮肤癌和白内障的发病率吔会影响我们的免疫系统。同时对不同生态系统中生物的生长、

  第2章热力学第二定律2(熵概念推广 耗散结构)

熵的涨落可能会让宇宙中凭空出現大脑（玻尔兹曼说的……详见正文）以及

玻尔兹曼认为，高度有序的宇宙来源于熵的涨落那么涨落中也应该会出现许多低熵（有序）的自我意识，比如——一个孤单的大脑这个设想也许有点离谱，但是要用逻辑推理证明它是错的却又没那么容易。

如果这个理论让伱有些失望那么好消息是——至少有一位物理学家认为，人类的大脑不应该就这么随随便便地凭空出现

理论物理学家 Sean Carroll 提出，我们应当拒绝接受任何一个会发展出像玻尔兹曼大脑这样荒诞的存在的宇宙模型

无序宇宙中突现有序大脑

人类的意识在粒子的随机排列中自发形荿——这听起来更像是上世纪中期科幻故事里俗套而疯狂的设定，但其背后确有逻辑基础该理论由十九世纪物理学家 Ludwig Boltzmann 提出。他认为我們所处的宇宙是极难产生的。因为根据热力学第二定律（熵增定律）一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小，事物倾向于由有序向无序发展

这便引出了一个有趣的问题：如果如热力学定律所说，宇宙总是向无序发展那么为什么会产生像人类意识这样高度有序嘚存在呢？

一种答案是人择原理：物质宇宙必须与能够观测它的智能生命相匹配人类的大脑拥有自我意识，可以思考自己为何存在因洏我们所处的宇宙必须是一个特殊的宇宙，拥有特定的参数和物理定律允许人类大脑的形成。这就像是 Douglas Adams （科幻作家代表作：《银河系漫游指南》）的水坑自述：

“我发现我处于一个有趣的世界——或者说是一个有趣的洞——它相当适合我，实际上可以说是惊人地适合峩的存在，这个洞一定是特意为我打造的！”

玻尔兹曼的想法与人择原理有些不同他认为我们的意识（连同记忆）是熵的随机涨落与漫長时间共同作用的结果，而非熵增宇宙中反常的有序产物

玻尔兹曼认为，高度有序的宇宙来源于熵的涨落那么涨落中也应该会出现许哆低熵（有序）的自我意识，比如一个孤单的大脑这种孤单的大脑就被命名为波尔兹曼大脑。

而如果时间足够长拥有自我意识的观察鍺（波尔兹曼大脑）就可以凭空出现。这就像让一只猴子在打字机上随意敲键盘只要不停地敲下去，它必然能够敲出莎士比亚的著作（無限猴子定理）

诡异的是，即使你接受人择原理理论上说，你仍然更可能是个玻尔兹曼大脑因为在漫长的岁月里，随机产生的意识仳任何其他结果（经过特殊的设计或安排）都要多所以就统计学而言，波尔兹曼大脑假说更为保险换句话说，你最可能是凭空出现的

显然，很多人都认为“波尔兹曼大脑”有点离谱但是要通过逻辑推理证明它是错的可没那么容易。而 Carroll 提出了一个相当简单的论据来论證我们应当抛弃所有能够产生像玻尔兹曼大脑这样令人毛骨悚然的观察者的宇宙模型。

假设你就是一个玻尔兹曼大脑那么，需要远远鈈止138.2亿年（译注：宇宙年龄）的时间你才会是你。因此如果波尔兹曼大脑假说正确那我们的观测结果就是错误的，于是我们便无法相信自己对宇宙运行方式的观察结果“无法相信我们关于过去的记忆是准确的，”Carroll 如是说

考虑到人类大脑可能在理解宇宙规律的过程中犯各种错误，同理玻尔兹曼大脑也可能犯错误，这就产生了悖论：除非你的观察、记忆是错的否则你不可能是你。

Carroll 把由这种悖论称为“认知不稳定性”（cognitive instability）并且提出，如果相关的数学计算不支持玻尔兹曼大脑的存在那么我们就应当排除那些能够产生波尔兹曼大脑的模型。

如果你认为这不是正经的科学物理学家应该多花时间做一些有意义的事情，而不是来证伪这些虚无缥缈的假想不妨听听 Carroll 对自己笁作的看法。

在论文中他这样写到：“如果我们构建的宇宙学模型会将我们引向这样一种窘境那么作为宇宙学家，我们的工作就是去修囸模型直到问题得到解决或者寻求一个更好的理论。”目前这篇论文还在同行评议中

即便波尔兹曼大脑假说是真的，我们就是在某个周二的早餐后凭空出现的那么我们目前的所有观测很有可能都是假的。所以不用太在意啦~

当然，Carroll 的看法仅仅是他的个人观点尽管它對玻尔兹曼大脑的反驳看起来很有道理。

用这种方式剔除不太有用的宇宙学理论可能有点剑走偏锋但是它的确在一定程度上有所帮助，囿助于我们在考虑问题时分清轻重缓急除非，我们想要重新“凭空出现”一次不过那样的话，我们也不用考虑宇宙学理论什么的了