物理学四大神兽 | 麦克斯韦妖

热力学三大定律

热力学第一定律也就是能量守恒定律。自从焦耳以无以辩驳的精确实验结果证明机械能、电能、内能之间的转化满足守恒关系之后，人们就认为能量守恒定律是自然界的一个普遍的基本规律。

能量守恒定律：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转移和转化的过程中，能量的总量不变。

第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器。其不可能存在，因为违背了能量守恒定律。

热力学第二定律有三种表述方式：

克劳修斯表述：热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体；

开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全变为功，而不产生其他影响；

熵表述：随时间进行，一个孤立体系中的熵不会减小。

第二类永动机是只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。因为第二类永动机效率为100%，虽然它不违反能量守恒定律，但大量事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变成有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温物体，因此效率不会达到100%。所以其不可能存在。

热力学第三定律通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。或者绝对零度（T=0K即-273.15℃）不可达到。

麦克斯韦妖

麦克斯韦假想，宇宙中存在这样一个妖精，它手持亿万级倍数显微镜，能够窥探到每个分子的一举一动。假如有一个完全与外界隔绝的箱子，中间用一块隔热的板子隔开，开出一个小门，而麦克斯韦妖就站在小门前。它负责观察每一个即将撞到小门的分子，如果是运动快的分子，就关闭小门不让分子过去，如果是运动慢的分子，就放它过去。

久而久之，箱子一边将出现越来越多的运动快的分子，其势能高，温度也高。因而原本温度平衡的箱子，就出现了一半热一半冷的现象。这显然违背热力学第二定律。

这时候有人就会有疑问，对整个系统来说，麦克斯韦妖好像并没有对箱子做功。所有运动的分子明明是自己撞到门上的，然后它只是事先知道了每个分子的状态，然后做个判断开关下门而已，甚至完全没有接触到分子。这导致了所有温度低的分子居然在自发地向温度高的环境移动。

但事实上，有科学家指出，开门关门需要消耗能量。话句话说，信息本身是携带能量的，探测分子温度需要能量。麦克斯韦妖无法毫无消耗地明确每个运动分子的信息。

实验中发现，麦克斯韦妖为了发现并分辨分子运动的快慢，消耗自身的能量要超过系统由此赚到的。因此，并没有违反热力学第二定律。

可见，熵增定律仍旧是无可置疑的事实。比如1L 90度水(A)和1L 10度水(B)融合，不会是A的温度增加而B的温度减小，因为如此的话，总体的熵减小。而如果A温度下降但B温度升高一点，那么总体的熵增加。

想象一下，有一个偌大的教室，里面坐着一排排整齐的小学生（我为什么要举例小学生？）。起初整个教室鸦雀无声，后来，班主任有事被校长叫走了。突然，后排的某个角落发出笔掉落的声音，同时另一边又响起哗哗翻书的声音。接着有叽叽喳喳的试探性响动出现，很快便得到了个别学者声带振动回应。于是夫起大呼，妇亦起大呼。两儿齐哭。俄而百千人大呼，百千儿哭，百千犬吠。中间力拉崩倒之声，火爆声，呼呼风声，百千齐作；又夹百千求救声，曳屋许许声，抢夺声，泼水声。凡所应有，无所不有......咦，为什么会有婴儿？犬吠？总之，教室里已经乱成一片。用老师的话来讲就是，在校门口都能听到这个教室的吵闹声。

若干分钟后，怒气冲冲的老师一个响转，进入教室，大发雷霆。台下众生，大惊失色，毛骨悚然，战战兢兢，汗不敢出......

这时候，学过熵增定律的学生，就可以站起来侃侃而谈：孤立系统总是趋向于熵增，最终达到熵的最大状态，也就是系统的最混乱无序状态。事物的混乱程度越高，则其几率越大。同样的，在无外物（老师）干涉下，班级秩序自然而然会往混乱程度最大的方向发展。这已是无可辩驳的事实。

“所以，老师，您还要批评我们吗？"