学习笔记|能量与熵

小马拉大车

能量守恒定律

首先来重新认识能量守恒定律，也叫热力学第一定律。
能量守恒定律的官方定义：在一个封闭（孤立）的系统中，总能量保持不变。其中总能量指静止能量（固有能量）、动能、势能三者的总量。

直白的说：能量既不会凭空产生，也不凭空消失，它只会从一种形式转化成另一种形式，或者从一个物体转移道另一个物体，而能量的总量保持不变。

变与不变

能量守恒定律已经成为了物理学的一种坚定信念，成为了描述自然界物理学语言的语法规则。在未知领域面前，能量守恒定律不是一个有待检验的定律，而成为了我们去认识未知世界的一个标准。

因为能量是一个抽象的概念，当我们有的能量形式不守恒的时候，意味着一定有一个未知的能量形式，而这种能量形式的量化方式，就可以通过能量守恒来定义。比如说：当我们发现在有摩擦的系统当中机械能不再守恒的时候，我们认识到了摩擦产生的热量是另外一种形式的能量，当把热量和机械能合在一起的时候，总的能量就会守恒。

当我们把能量守恒作为一个更基础定律的时候，也意味着我们从牛顿力学中“关注变化”的视角，转变成了“关注不变”的视角，在变化中寻找不变。我们其实都习惯了关注各种各样的变化，并且往往在变化中随波逐流，但其实所有的变化都是由不变性来支配的。只有抓住不变性，才能用更睿智的眼光来清晰地洞察所有的变化，从而抓住机遇顺势而上。

启发

一方面，能量守恒定律宣告了人类制造永动机的美好愿望只是一种妄想，这个世界不存在一劳永逸的事情，持续的投入才可能有持续的产出。
另一方面，能量守恒定律提醒我们，看待一切问题都要用更广阔的眼光。
比如一个小球在一个粗糙的U形池里滚来滚去，这个过程当然有动能和势能的转换，但是到了最后小球停在了最低处，动能和势能最后都转化成了热量。

动能和势能.jpg

也就是说，当你只关注你和你的竞争对手之间争夺的时候，也许整个行业的能量都已经流到了其它地方去了，你和竞争对手最后一起死掉。同样，面对自身的增长，我们也要看到是否只是因为你站在了一个能量流入的领域而已，其实可能你已经落后于你的竞争对手了。

能量不会凭空的产生，也不会凭空的消失，我们一定要有一个更广阔的眼光来看到我们的事业，乃至人生的起起伏伏，这也会让我们更有机会触及到新的领域，甚至早日成为新领域当中规则的制定者。

熵

先来看热力学第二定律：不可能使热量从低温物体自发地传递到高温问题而不产生其它影响。还有一种表达，不可能从单一热源吸收热量使之完全转化为有用功而不产生其他影响。

能量转化的方向性是因为不同能量的价值不同，这种价值是指什么呢？他是能量可以用来做功的一种可利用性，或者是转化效率。显然，热能的价值就不如动能，因为热力学第二定律告诉我们，势能如果用来做功还会产生其它的影响，不可能百分之百地把热能转化成动能。

能量不仅有大小之分，还会有价值的区别，在物理学中，我们用"熵"来定量地表示这种价值，熵越高说明能量的价值越低。

能量的价值如何产生的呢？拿骑车举例，当汽车运用的时候，他有一个确定的方向，每一瞬间他的运动都是沿着一个方向的。所有的原子都有一个相同的速度方向，我们说这个时候整个汽车只有一个自由度，而汽车的动能就是集中在这个自由度上。当汽车刹车，动能转化成热能，热能使是物理内部所有分子的无规则运动，这种大量分子的无规则运动在每时每刻都是沿着无数个不同方向的，也就是说热能其实是分配在多个自由度上的。
正是这种自由度的差别，造成了能量的不同价值。如果能够把能量集中在一个自由度，那么这个形式的能量就更有价值，更能够用来做功。就好像我们在工作中，如果我们的公司能够把能量、把资源集中在同一个方向，当然不是说所有人都来做同一个工作，而是说都由同一个方向性的原则来指引，我们能能够让资源发挥更大的作用，产生更大的价值。

熵可以用来衡量一个系统中能量的价值。宏观层,熵越大能量的价值越低，这时我们不用区分具体分子的系统分布来描述系统状态，也叫系统的宏观态；如果我们去区分每一个具体的分子来描述系统的状态，就要系统的微观态。

一般来说，一个宏观态都是对应着多个微观态。这意味着什么？ 例如，我们的房间里有各式各样的东西，当所有的东西都恰好放在他们应在的位置时，整个房间都是有序的，我们想找任何东西都能很轻易的找到，也就是说我们认为的有序，就是只有一种可能性、只有一种状态。 反之，当我们要找一样东西，比如钥匙，它可能在床底，可能在衣柜，甚至可能在垃圾桶的时候，他的可能性就太多了，对沃恩而言这就是一种无序，也就是说，无序是由于有众多的形态，众多的可能性。因此有序只有一种，但无序却有很多。很像常说的一句话，幸福的人都一样，不幸的人各有各的不幸。