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06 熵增定律-宇宙的永恒法則 《小雙叨化學(xué)30講》

 小雙叨日常 2021-12-07

今天這個題目我估計就得勸退不少人。想當(dāng)年我上大學(xué)那會兒,熵和焓讓我望而生畏,我還記得化學(xué)老師當(dāng)時說過,學(xué)不會熵和焓,你會“傷心”,我會“寒心”。匈牙利數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾伊曼(John von Neumann)也曾說過,“在討論中使用熵一詞的人總是贏家,因?yàn)闆]人知道熵的真正含義,因此在辯論中總是有優(yōu)勢。”。今天為了給大家講好這個定律,我犧牲了晚上看電影的時間,又查了不少資料。發(fā)現(xiàn)也并沒有想象中那么難。

首先講講看為什么要講熵增定律。如果說只能選一條科學(xué)定律是絕對正確且永恒不變的話,那就是熵增定律。它超越了其他一切定律,是宇宙間的第一法則(好牛的感覺?。?。

熵是什么呢?它的物理意義是體系混亂程度的度量。在不同的歷史階段,克勞修斯,玻爾茲曼,吉布斯,香農(nóng)等都對熵給出過不同的定義,其本質(zhì)是統(tǒng)一的,只是認(rèn)知隨著時間而發(fā)生了變化。這其中不得不提一下玻爾茲曼,他因?yàn)樘岢鲮氐亩x是統(tǒng)計學(xué)意義上的,過于超前于時代,而招致許多非議和攻擊,最后自殺身亡。這個熵的公式被刻在了他的墓碑上。

    而熵增的意思就是在一個孤立系統(tǒng)里,它的混亂度會不斷增大,直至到達(dá)最大值后歸于寂滅。
   
    很多人會理解成這是一種“無序”的程度,其實(shí)是不對的。無序是一種主觀表述,不是科學(xué)概念,嚴(yán)格意義上它應(yīng)該是反映的“有多少種排列方式”。這個可能有點(diǎn)難理解,我們舉個例子??聪聢D:

    左邊的房間和右邊的房間,哪個熵大?容易理解的說法是:左邊房間更加混亂無序,所以左邊熵大。答案是對的,但更準(zhǔn)確的說法應(yīng)該是:左邊房間,物品排列的方式更多,更紊亂,因此左邊熵大。
    
    再來判斷幾組熵的大小,看下圖:

圖1

圖2

圖3

圖1看上去很容易回答,即使你只考慮哪個看上去更“混亂無序”,也能回答出正確答案:B。

圖2和圖3是不是就要讓你想一想了?如果你還是想著“混亂無序”的話,就不太容易回答。那就想想看“排列方式的多少”。

對于圖2來說,鉆石和石墨都是由碳原子組成,鉆石中的晶格致密,碳原子的排列比較固定有限;而石墨中的碳是無定形態(tài),排列方式比起鉆石中的碳可能性更多,因此答案是A。


對于圖3來說呢?經(jīng)過上面的例子是不是就容易回答多了?是的,正確答案是A。因?yàn)槌厮械乃肿拥呐帕羞\(yùn)動方式,比起冰塊當(dāng)中有限運(yùn)動的水分子來要多的多,所以常溫水的熵更大。

    這樣我們就把熵和熵增定律講清楚了。在化學(xué)當(dāng)中,物理學(xué)的這個熵增原理也是化學(xué)反應(yīng)的根本驅(qū)動力,從有序到無序的自發(fā)的過程,比如氧化過程就是一個熵增的過程,而乳化過程(強(qiáng)制剪切就是輸入機(jī)械能)就是一個對抗熵增的過程。

如今,熵增定律不僅僅在物理學(xué)界,化學(xué)界得到廣泛應(yīng)用,也已經(jīng)延伸至計算機(jī),經(jīng)濟(jì)學(xué),生命科學(xué)等等領(lǐng)域。最近很流行“負(fù)熵人生”這個概念,其實(shí)這是一個物理學(xué)界的大牛,“虐貓狂人”-薛定諤,在他的《生命是什么》這本書中的一句話“人活著就是在對抗熵增定律,生命以負(fù)熵為生


    負(fù)熵要想成立,就要為系統(tǒng)注入更多的能量,才能賦予系統(tǒng)新的活力。
    
    其實(shí)想想還挺勵志的。宇宙從大爆炸開始就是逐漸走向寂滅的,落葉歸根,破鏡難圓,覆水難收,滄海桑田,無不是世間萬物在熵增面前無力回天發(fā)出的悲鳴。

    可是人類,卻一直走在對抗熵增的道路上。因?yàn)椴桓视诎惨莘€(wěn)定,而一直努力學(xué)習(xí)輸入新的知識與能量提升自己,去對抗平庸;因?yàn)楹闷嫘呐c不服輸,一次次科技創(chuàng)新,使得人類文明才充滿了活力。

   

另外,我還想致敬在這次新冠疫情當(dāng)中,那些可敬可愛的“逆行者”們。他們以血肉之軀,對抗著可怕的病魔,向死而生,為他人爭取更多活下來的機(jī)會,這何嘗不也是一種對抗熵增的行為?


    好的,化學(xué)定律的三講,化學(xué)平衡,質(zhì)量守恒定律和熵增定律到今天就全部講完了。動態(tài)平衡是關(guān)注化學(xué)反應(yīng)的過程,而質(zhì)量守恒和熵增過程是關(guān)注化學(xué)變化的結(jié)果。質(zhì)量守恒關(guān)注的是物質(zhì)的變化過程,而熵增過程是關(guān)注能量的變化過程。這些都是化學(xué)中的底層知識,只有對它們了解清楚了,我們才好進(jìn)入后面的化學(xué)模型的課程的學(xué)習(xí)中去。

這一講,到這里就結(jié)束了,祝大家周末愉快。

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