熵与热力学第二定律

宇宙的熵

每当你研究一个变化时,你都可以把世界切成两块:你所关心的系统,以及与它接触的其余一切——“周围环境”。把这两份熵加起来,你就得到了宇宙的熵,那个大总和。它正是第二定律真正在意的那一个数。

规则很冷峻。对任何真实过程,宇宙的熵(系统加周围环境)都会增大。对一个理想化的可逆过程,它恰好保持不变。它绝不能减小。所以,系统自身的熵是允许下降的——水可以结冰,细胞可以自我组织——只要周围环境的熵增大得更多,好让总数继续攀升。

它为什么重要:这是第二定律最干净、最诚实的形式,也是判断自发性的真正标准。一个反应能进行,当且仅当它使宇宙的熵增大;我们熟悉的吉布斯自由能,只是在恒温恒压下、从系统内部追踪这同一个总数的一种方便手段。令人谦卑的告诫是:把这条原理推到尽头,它暗示宇宙正漂向一种均匀的、不冷不热的同一状态——所谓的“热寂”——尽管这发生在远超想象的时间尺度上,而且宇宙学还添加了一些物理学家仍在争论的复杂之处。

当水在 0 °C 以下结冰时,冰比液态水更有序,所以系统的熵下降了。然而结冰会向寒冷的周围环境释放热量,而在那个低温下,这份热量使周围环境的熵增大得更多。宇宙的总熵依然攀升——这正是结冰在那里之所以自发的原因。

系统的熵可以下降;宇宙的总熵永不下降。

这里的“宇宙”是一个技术术语,仅指系统加上它紧邻的周围环境——那个“盒子”以及与它交换热量或物质的一切——而不是字面意义上的整个宇宙。它是能完整容纳这个过程的、最小的孤立系统。

又称
宇宙的熵宇宙的熵total entropy