了不起的物理

99 為什麽房間不打掃會越來越亂:熵增原理

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我們知道,一個房間如果不打掃,一定會變得越來越亂。抽象到一個物理係統,如果沒有能量輸入,就會變得越來越混亂。這其實可以總結為一條物理學原理:熵增原理。

熵增原理說的是,任何一個封閉的物理係統,它的熵永遠不會自發減小。所謂熵,是描述一個物理係統混亂程度的物理量。

我們要如何定義一個係統的混亂程度呢?答案是微觀態數。想象我們有兩個玻璃杯A和B,以及一顆黃豆。現在我們要把黃豆放到玻璃杯裏,很顯然有兩種選擇,A或B。如果是兩顆黃豆,還要把它們放到杯子裏,我們有三種選擇,全都在A或全都在B,或者一邊一個。如果再多一個杯子C呢?簡單算一算應該有6種選擇。這個例子,其實就是微觀態數。微觀態數指的是一個係統可能存在的狀態的數量。

現在把微觀態數的概念運用在物理學係統上。譬如,我們來研究一些氣體。氣體其實是大量的氣體分子以相對自由的狀態分布在空間中。氣體分子都在做著相對隨機的、雜亂無章的運動。分子的運動有快有慢,運動速度快的能量就高,運動速度慢的能量就低。我們可以把氣體分子的數量類比為前述案例中黃豆的數量,把氣體分子可能存在的能量的狀態數類比於玻璃杯的個數。那熵的概念就比較清楚了。很顯然,氣體中的分子數量越多,氣體係統就顯得越混亂。並且氣體溫度越高,分子運動的速度越快,就代表氣體可能存在的能量狀態越多,氣體也就越混亂。

熵增原理說的是,一個封閉係統裏,它的熵永遠無法自發減小,就跟一間不打掃的房間是絕無可能自發變得幹淨一樣。這告訴我們,如果要讓一個係統的混亂程度減小,就必須輸入能量,要對這個係統做功,譬如你要花力氣去打掃房間,房間才能變得整潔。