熵與熱力學第二定律

不可逆過程

把一滴牛奶攪進咖啡,幾秒之內它就無處不在,旋成了均勻的淺褐色。再有耐心地攪,也絕無法把它「反攪」回一顆乾淨的奶滴。這就是不可逆過程:一種自然地朝一個方向進行、且無法撤銷而不在世界上留下某種永久痕跡的變化。

嚴格地說,如果一個過程發生之後,沒有任何辦法能讓系統和周圍環境雙雙回到它們確切的初始狀態,那它就是不可逆的。每一個真實的、以有限速度進行的變化都或多或少是不可逆的——摩擦、驟然的膨脹、混合、熱量越過真實的溫差。它們每一個都生成了從前不存在的、新的熵,而這熵無法被「反生成」。

它為什麼重要:不可逆性正是抽象的第二定律觸及日常生活之處。它解釋了發動機為什麼浪費燃料、電池為什麼會耗盡、我們為什麼感到時間之箭指向前方。關鍵的對照是:可逆過程是一種無摩擦的理想,能一步一步倒著走回去;不可逆過程則總要「花掉」點什麼,產生熵,並達不到可榨取的最大功。誠實的備註是:可逆性是那個達不到的極限——一切真正發生的事都是不可逆的。

讓氣體通過一個打開的閥門衝進真空(一種「自由膨脹」)。它湧出去填滿空間,既不做功也不交換熱量——可它的熵卻上升了,因為分子如今有了大得多的活動空間。沒有任何東西迫使它們回去;這就是連摩擦都看不見的不可逆性。

向真空的自由膨脹:沒有熱、沒有功、沒有摩擦,熵照樣上升。

不可逆並不意味著不可重複或無法補救。你總能靠消耗能量把牛奶「分離」出來——但這樣做會向別處排出更多的熵,所以宇宙的總熵從不回落。

又稱
不可逆过程不可逆過程