熵與?

熱力學第一定律簡潔明了，但并不總是那么有用。它并沒有告訴我們物理和化學反應過程中的能量隨著時間的推移在系統中發生了什么變化。第二定律比第一定律要復雜得多，也更不容易掌握，但它告訴我們，在現實世界的每一次能量轉換中，都有一些物理量被消耗了。但被消耗物理量是什么，又是如何測量出來的？它當然不是能量，因為第一定律說能量是守恒的。

熱力學第二定律指出，能量轉換的過程不是隨機的，而是有一個最大化熵的趨勢。熵是對系統無序性的度量。一個高度有序的系統（桌子上按字母順序排列的書）比一個無序的系統（桌上的書雜亂無序地擺放）的熵要低。

當相互接觸的物體或系統之間存在溫度差時，它們總會達到熱平衡，最終穩定在相同的溫度上。例如，飲料中的冰會融化，冰塊變熱，飲料變涼，直到兩者之間達到熱平衡。熱力學第二定律告訴我們，熱量是從溫度高的地方向溫度低的地方傳遞，而不是相反。例如，信風和洋流是通過空氣和水的流動，把聚集在赤道附近的太陽熱能向兩極傳遞。

不是只有熱系統才會消除差異。總的來說，世界在不可阻擋的力量的驅動下滑向同質性（homogeneity）。當任由自然自行發展時，自然就會滑向無序，世界上到處都有體現這種整體趨勢的例子。在缺乏有目的的生命形式（植物、動物、人）的情況下，系統傾向于滑向統一的混亂。如圖書館、摩天大樓和城市等高度工程化、制造化和有序化的系統不是偶然發生的——此時系統的熵值較低，只有你放手不管的時候，系統的熵才會開始增長。花園也是一個很好的例子：放任不管，花園就會變得雜亂無章。一桶油含有豐富的長鏈碳氫化合物混合物，其中含有潛在的化學能，可以被分選并轉化用于產生能量或塑料等各種化學品。煉油廠、運輸油輪、汽車發動機和排氣系統排出的熱量更為高熵且無用。

熵這個概念的另一面是“?”。在現實世界的能量轉化過程中，熵增加，?減少。?是可用于做有用功的能量。這是一個需要理解的概念。1千兆焦耳的能量相當于278千瓦時的電量（平均每個英國家庭三周的用電量）或36千克的煤炭產生的能量，或我們將一個24噸的小型花園游泳池里水的溫度提高10°C時需要的額外儲能。它們都相當于1千兆焦耳的能量，但并不是所有的能量都可以用來做有用功。

除了死亡、稅收和熱力學第二定律，生活中沒有什么是確定的。這三個過程都是把某些量從有用且可得的形式——如能量或金錢——轉化為等量的無用且不可得的形式。

——賽思·勞埃德（Seth Lloyd）
麻省理工學院機械工程與物理學教授

我們不可能從煤中或者游泳池的儲能中獲取100%的能量去做有用功。有時我們將能量的質量分為“高品質能量”或“低品質能量”。例如，熱是粒子的微觀隨機運動，而功是粒子更宏觀的有序運動。

因此，熱能不那么有序，能量品質也較低。功比較有序，能量品質也更高。電能（儲存功的一種形式）是一種能量品質更高的能量形式——它具有做各種功的潛力，可以完全轉化為熱能。因此，我們可以用電加熱游泳池。熱能的能量品質較低，不能100%地轉化為電能（或任何其他形式）。即使是最好的現代聯合循環氣化渦輪發電站，我們也需要用大約能產生2千兆焦耳能量的天然氣發能產生1千兆焦耳能量的電。

熱力學第二定律告訴我們，我們不能無限地把能量從一種形式轉換成另一種形式，再轉換回來，而過程中又不損失什么能量。這就是為什么盡管發明家們做出了許多勇敢而富有想象的努力，但永動機這種不需要外界輸入能量就能無限運轉的假想仍有待證明。

在能量轉換的過程中，有不同的方式表達能量品質的變化。每一次能量轉換都有：

? 熵增：有序性/異質性/復雜性減小，無序性/同質性/同一性增大。

? ?減：系統中的有用性減小/能量品質下降。

為了產生能量，我們必須使世界重新排序。或者換一種說法，當世界自己重新排序時，能量就產生了。重新排序可以發生在原子核和原子水平（核裂變/為太陽產生能量的核聚變），或在分子水平（物理摩擦和化學反應，如復雜的碳氫化合物與氧氣結合產生能量、水和二氧化碳），或者在宏觀水平（通過固體、液體和氣體的壓力、體積或溫度變化為發動機提供動力）。

我們對能量的理解來自一些非常有想象力的宇宙起源假想，雖然我們已經解決了大量的數學問題，但事實是，能量不是一個簡單的“東西”。然而，它是我們世界未來的一個關鍵部分。迅速增長的人口雖然正試圖擺脫三個世紀以來對化石燃料的依賴，但仍然渴望能源（特別是電能），關于什么是能源、為什么能源如此重要以及我們應該如何管理能源，也仍然存在一些相當奇怪的經濟、技術和社會觀念。

[1] 德國數學家艾米·諾特提出守恒定律與連續對稱之間的數學關系。

[2] 法國化學家拉瓦錫的著名實驗發現了氧氣并否定了燃素說。