【原】06 熵增定律-宇宙的永恒法则 《小双叨化学30讲》

今天这个题目我估计就得劝退不少人。想当年我上大学那会儿，熵和焓让我望而生畏，我还记得化学老师当时说过，学不会熵和焓，你会“伤心”，我会“寒心”。匈牙利数学家约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）也曾说过，“在讨论中使用熵一词的人总是赢家，因为没人知道熵的真正含义，因此在辩论中总是有优势。”。今天为了给大家讲好这个定律，我牺牲了晚上看电影的时间，又查了不少资料。发现也并没有想象中那么难。

首先讲讲看为什么要讲熵增定律。如果说只能选一条科学定律是绝对正确且永恒不变的话，那就是熵增定律。它超越了其他一切定律，是宇宙间的第一法则（好牛的感觉啊）。

熵是什么呢？它的物理意义是体系混乱程度的度量。在不同的历史阶段，克劳修斯，玻尔兹曼，吉布斯，香农等都对熵给出过不同的定义，其本质是统一的，只是认知随着时间而发生了变化。这其中不得不提一下玻尔兹曼，他因为提出熵的定义是统计学意义上的，过于超前于时代，而招致许多非议和攻击，最后自杀身亡。这个熵的公式被刻在了他的墓碑上。

    而熵增的意思就是在一个孤立系统里，它的混乱度会不断增大，直至到达最大值后归于寂灭。

   

    很多人会理解成这是一种“无序”的程度，其实是不对的。无序是一种主观表述，不是科学概念，严格意义上它应该是反映的“有多少种排列方式”。这个可能有点难理解，我们举个例子。看下图：

    左边的房间和右边的房间，哪个熵大？容易理解的说法是：左边房间更加混乱无序，所以左边熵大。答案是对的，但更准确的说法应该是：左边房间，物品排列的方式更多，更紊乱，因此左边熵大。

    

    再来判断几组熵的大小，看下图：

图1

图2

图3

图1看上去很容易回答，即使你只考虑哪个看上去更“混乱无序”，也能回答出正确答案：B。

图2和图3是不是就要让你想一想了？如果你还是想着“混乱无序”的话，就不太容易回答。那就想想看“排列方式的多少”。

对于图2来说，钻石和石墨都是由碳原子组成，钻石中的晶格致密，碳原子的排列比较固定有限；而石墨中的碳是无定形态，排列方式比起钻石中的碳可能性更多，因此答案是A。

对于图3来说呢？经过上面的例子是不是就容易回答多了？是的，正确答案是A。因为常温水中的水分子的排列运动方式，比起冰块当中有限运动的水分子来要多的多，所以常温水的熵更大。

    这样我们就把熵和熵增定律讲清楚了。在化学当中，物理学的这个熵增原理也是化学反应的根本驱动力，从有序到无序的自发的过程，比如氧化过程就是一个熵增的过程，而乳化过程（强制剪切就是输入机械能）就是一个对抗熵增的过程。

如今，熵增定律不仅仅在物理学界，化学界得到广泛应用，也已经延伸至计算机，经济学，生命科学等等领域。最近很流行“负熵人生”这个概念，其实这是一个物理学界的大牛，“虐猫狂人”-薛定谔，在他的《生命是什么》这本书中的一句话“人活着就是在对抗熵增定律，生命以负熵为生”

    负熵要想成立，就要为系统注入更多的能量，才能赋予系统新的活力。

    

    其实想想还挺励志的。宇宙从大爆炸开始就是逐渐走向寂灭的，落叶归根，破镜难圆，覆水难收，沧海桑田，无不是世间万物在熵增面前无力回天发出的悲鸣。

    可是人类，却一直走在对抗熵增的道路上。因为不甘于安逸稳定，而一直努力学习输入新的知识与能量提升自己，去对抗平庸；因为好奇心与不服输，一次次科技创新，使得人类文明才充满了活力。

   

另外，我还想致敬在这次新冠疫情当中，那些可敬可爱的“逆行者”们。他们以血肉之躯，对抗着可怕的病魔，向死而生，为他人争取更多活下来的机会，这何尝不也是一种对抗熵增的行为？

    好的，化学定律的三讲，化学平衡，质量守恒定律和熵增定律到今天就全部讲完了。动态平衡是关注化学反应的过程，而质量守恒和熵增过程是关注化学变化的结果。质量守恒关注的是物质的变化过程，而熵增过程是关注能量的变化过程。这些都是化学中的底层知识，只有对它们了解清楚了，我们才好进入后面的化学模型的课程的学习中去。

这一讲，到这里就结束了，祝大家周末愉快。