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为什么时间不会倒流(2)
http://www.100md.com 2019年5月15日 《百科知识》 2019年第10期
     只要分析一下各个宏观态出现的概率,就能得知熵为什么会增加。一等奖的中奖概率只有1/66(约1.5%),二等奖的概率为10/33(约30%),而不中奖的概率为15/22(约68.5%)。由此可见,熵越高的宏观态,出现的概率就越高,这就是熵增加的原因。

    我们还以4个气体分子的扩散为例。一开始,4个分子都在隔板的一侧,阀门打开后,气体扩散到整个容器,隔板两侧各有2个分子。在这个过程中,熵增加了。实际上,气体分子不一定均匀分布到整个容器(隔板两侧各2个),也可能是隔板一边1个,另一边3个,还有可能4个分子全扩散到隔板另一侧,但这三种状态的概率比为6∶4∶1,分子均匀分布的概率是集中在隔板一侧的6倍。因此,气体从某个状态扩散后,最有可能变为均匀分布的状态。分子的数量越大,气体全部集中到隔板一侧的概率就越小。实际情况下,分子的数量大得惊人,气体全部扩散到隔板另一侧的概率小到可以忽略。因此,我们从未观察到熵减小的现象。熵增加原理是统计定律,只有观察大量分子,这个定律才成立。如果只观察一个分子,是无法确定时间的方向的。可见,时间只有在宏观世界中才有方向。
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    无序度的增加只是物质发展的总体趋势。实际上,现实中也会出现很多“熵减小”的情形,只不过熵减小是局部现象。如果将外界算进来,总熵仍然是增加的。给电冰箱通电,冰箱内外出现温差,这就是局部的熵减小。但是,冰箱的压缩机需要能量才能工作,输入压缩机的电能最终会转化成热能,耗散到空气中。这个过程中,熵是增加的,这个熵增大于冰箱内外温差带来的熵减。因此,将外界考虑进来,总熵仍是增大的。

    可见,热不能完全转化为其他种类的能量。那么,热究竟是什么呢?这里,我们要深入微观世界来分析热的本质。我们都知道物质是由分子组成的,组成物质的分子并不是固定不动的,它们在不断运动。即使是固体,其分子也在振动。温度越高,分子运动得越剧烈,由此可知热的本质是分子的运动。热能也被称为内能,单位是焦耳。一个物体具有的内能等于组成该物体的所有分子的动能总和,而温度就代表了每个分子的平均动能。在一个物体内,每个分子的动能并不相同,但每个分子动能的平均值却只有一个。温度这个物理量就是描述分子平均动能的大小的。它的标准单位是开尔文(K),温度的下限是0K(-273.15℃),也就是绝对零度。在绝对零度下,分子的动能等于零。实际上,绝对零度是不可能达到的,但可以無限逼近。
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    由于分子运动是无序的,因此,宏观物体虽然受到分子的撞击,但各个方向上分子的撞击力相互抵消,所以物体的动能并不会增加,这就是内能不会自发转化为动能的原因。但是,物体越小,在单位时间内,它受到的分子撞击次数就越小。如果物体足够小,那么,在一个时刻,它受到的分子撞击力就会显出不平衡,物体就会因分子的撞击而运动,这就是布朗运动。物体越小,布朗运动就越剧烈。由于分子的运动是无序的,因此布朗运动也是无序的。分子非常小,用一般的显微镜根本无法观察到。而产生布朗运动的微粒比分子大得多,用一般的显微镜就能观察到。布朗运动是分子运动的有力证据。

    热的本质是分子的无序运动,根据熵增原理,我们就可以得知为什么其他种类的能量可以完全转化为热,而热不能完全转化为其他种类的能量。这就是时间不能倒流的原因。, http://www.100md.com(韩京辰)
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