能否尽量通俗地解释什么叫做熵?

不断成长的安妮妈


比如在一个学校的班级里,比较课堂纪律乱糟糟和秩序良好两者,哪一种熵的值高呢?前者的熵值高,后者的熵值低。


从上课时的秩序状态到下课时解散课堂秩序,各个自由随意,这种情况好比“熵增”;反之,可称为“熵减”。

衡量的是系统的无序性。熵增过程是一个自发的由有序向无序发展的过程。

热力学第二定律又称熵增原理。孤立的热力学系统的熵不减少,总是增大或者不变。这就给出了一个孤立系统的演化方向。这个定律指出一个孤立系统不可能朝低熵的状态发展,也即随着时间不会演化得更加有序。

像生命组织,像我们人的身体就可以视为一个孤立系统。这个系统诞生后的总体过程就是一个熵增的过程,因此生老病死是不可避免的。死亡时身体组织逐步彻底解体,归尘归土,系统毁灭,熵值达到最大。

所有的东西都会坏掉,无物永存,这体现的就是熵增原理。

所以,热力学第二定律其实讲的就是一个“无常”、“无物常住”的道理,因此“好花不常开,好景不常在”,一切都会飘零,没有坚固不变的。

这就意味着,时间是有方向的,”生老病死”的演化不会变成“死病老生”,人是不可能倒钻回娘胎里去,机器总是要衰朽散架,永动机是不存在的!


建章看世界


熵的概念相信很多读者在初中、高中都听说过。特别是「熵增原理」,相信大部分人都知道。这个原理的基本思想是,一个孤立的系统,它的混乱程度,会随着时间不断增加。

熵在很大程度上,是可以看作是「度量混乱」的一种手段。

但什么叫混乱?什么叫有序?其实是比较随意的一种定义。

是的,虽然熵在科学领域中非常常用,但本身的定义是可以比较自由的。

要定义熵,首先就要定义「什么是相同」。比如在热力学中,平衡态的气体,如果温度、压强、体积一样,我们就认为它们是一样的。

但实际上,它们在细节上还有很多中可能的构型,因为气体是靠气体分子「组成」的。这个时候,就出现了混乱——同一种状态,有N个可能的细节结构。我们就可以据此定义出熵,比如热力学熵就是S=k log N,N就是状态数。

相应的,如果我们把每一种构型都定义为不一样的东西,那物质的熵就是0,因为只有一种构型。

比如你要看一堆人排队,队形的熵有多大,首先要决定你怎么测量一个队形。比如分成直线、简单曲线、复杂曲线,那就可以计算熵了。但如果你关注每个人的位置,那熵就没什么意义,因为每个测量背后只有一种可能的结构。

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章彦博


熵这个概念有好几个说法。

最开始的时候,熵是人们在研究热力学系统时提出来的概念。人们注意到一个可逆的热机在一次卡诺循环下能够吸收的热量与温度成正比,人们于是把可逆热机的吸热量与热机的温度之比定义为entropy熵。在这个单词最早被翻译为中文的时候,取的就是两个热量学量之商的意义。

以玻尔兹曼为代表的统计力学发展起来之后,人们开始意识到这个所谓的熵本质上代表的是系统的混乱度和无序度。对一个能量处处相等的均匀系统。熵与系统微观粒子可能所处的状态总数的对数成正比。换句话说,熵越大的系统对应系统的微观状态数越多,也就是系统具有更多的未知可能性,显得更杂乱。这就是熵代表混乱度的意义。熵这个概念还关联着一个非常重要的物理定律:热力学第二定律。这个定律告诉我们一个孤立系统的熵总是增加的,不能自发减小。如果要减小的话一定要付出额外的努力才行。简单但不严谨地说,如果你把你的房间放着不收拾,它的混乱度肯定会越来越高的~如果你要让它显得有序,你就必须定期打扫~

到这里,熵的故事并没有结束。在二十世纪初的时候,著名数学家香农将熵的概念推广到信息论中去。提出了信息熵。到这里,熵代表的是信息的丢失。或者又叫做负信息。这个观念将精确的可以定量的热力学量与信息联系到了一起。这种联系一旦建立之后,人们发现原来信息也变成了一种可以计算可以分析的量。一些物理学家甚至直接把信息当成真实的物理量。并且在信息论的基础上重建了整个统计物理学的大厦。可以说,熵给物理学带来的东西可远远不止热力学这么简单。


低熵制造机


熵的概念源自热力学,用于表征系统的无序度(或说混乱度)。无序度越高,熵越大,系统也越稳定。在热力学中,无序是指系统所能达到的不同微观状态的数量,因为系统有一个特定的组成、体积、能量、压力和温度。

热力学第二定律表明,孤立系统总是存在从高有序度转变成低有序度的趋势,此即为熵增原理。例如,打碎的玻璃无法复原、墨水滴入清水中会逐渐分散、鲜花开放会使周围香气四溢。这些自发过程都是不可逆的,系统的混乱度会变高,即熵会增加。按照熵的定义,同一种物质在不同状态所具有的熵是以如下的顺序排列:气态>>液态>>固态。

此外,温度也会影响系统的熵。举个例子,用火加热水壶中的水,不久后,水就会沸腾。本质上,火的热量使水分子的热运动加剧。如果热源被移走,水会自发地冷却到室温。这也是由熵增引起的,因为水分子倾向于消耗掉所积累的势能,从而会把热量释放掉,最后处于一种较低势能的状态。

我们知道,从大爆炸以来,宇宙一直在不断膨胀。如果我们的宇宙是一个孤立的系统,由于熵增原理,宇宙的无序度会随着膨胀而逐渐增加。在一定的时间之后,熵增加到最大,宇宙的无序度达到最大,最终整个宇宙达到热平衡的状态,一切演化全部终止,这是宇宙的可能归宿之一,即热寂。然而,如果宇宙中存在某种机制能够使熵减少,比如真空中的随机量子涨落,宇宙最终可能又会回到最初的奇点,进而再次大爆炸。


火星一号


下面用最通俗的语言解释「熵」。

想象一个侦探小说般的情景。暴雨雪山庄里发生了一起杀人案。在侦探还没有开始调查的时候,侦探手中获得的「信息」是很少的,侦探不确定谁是凶手,于是侦探一开始会说,「凶手就在我们当中」,这时候凶手的「取值范围」很广,山庄里面每个人都有嫌疑,每个人都有可能是凶手。随着推理的进行,侦探获得了很多信息(目击者,犯罪时间,不在场证明……),然后就排除掉了很多人的嫌疑,现在,凶手的「取值范围」变小了,侦探意识到,只有很少的一两个人有可能是凶手。最后,侦探发现了决定性的证据,通过这一信息,锁定了唯一的凶手。

从侦探推理的过程,我们发现,随着信息的增加,侦探更有可能锁定嫌疑犯,换句话说,侦探获取的「信息」与「不确定度」之间是负相关的,而「不确定度」越高,说明侦探心中嫌疑犯候选人的范围是很大的,这样一个「范围」,可以被看成是一个「状态空间」。状态空间越大,不确定度越高,信息量就越少。最后当侦探发现了决定性的证据的时候,他得到了一个最关键的「信息」,这个信息能帮他锁定犯罪者,这个证据提供的信息量是最大的。

把上面的例子说的学术一点:

从信息的角度来看,熵,所描述的就是「状态空间」的大小,在刚才的例子里,对应的其实就是有作案嫌疑的人的数目(的对数),信息量越大,熵越小。

在物理学中,一个系统的能量确定,例如一罐子气体,能量虽然固定了,但里面每个分子可以处在罐子的任何一个地方,我们只知道能量,将不会知道系统到底处在什么状态(每个状态就像是一个嫌疑犯),这就是热力学意义下的熵的定义。这个定义可以与信息论的熵统一起来。


傅渥成


熵就是物体混乱程度的一种度量。即衡量物体到底有多混乱的一个物理量!如上图所示,日常生活中我们吃的食物、饮用的水,还处于比较低的熵,即还是比较有规律的,但是被人体食用、饮用完,以后再被消化道消化、吸收以后再分泌、排泄出去,就成了分泌物、排泄物,就成了高熵物体。

所以现实生活中,虽然我们知道世界的能量是守恒的,但是为什么我们还要节约能源呢?其实这主要就是因为,虽然能量是守恒的,但是因为反应前的能源的熵值更低,而反应后的熵更高,因而相当于破坏了物体内部的结构。如日常生活中煤的燃烧,在燃烧以前还是比较有序的能源,燃烧以后开始变成二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢以及粉尘等,这些都是极其无序的。可见熵增加以后,再想把这些高熵的无用物体变成低熵的有用能源,还需要一个长期的过程(如下图所示),这一过程短则几千万年,长则几亿年!由此我们可以知道,虽然能量是守恒的,但是由于我们在利用能源的过程中,使能源由低熵变成高熵,而要想从高熵转变成低熵,又需要一个极其长的时间(短则几千万年,长则几亿年),因此我们必须节约能源,保护各种自然资源和自然环境!


总之,熵就是物体混乱程度的一种度量。即物体熵增加时,表示其混乱程度是增加的,也表示其利用价值在极速下降,具体可以参考面包变成排泄物,煤炭变成雾霾。而反过来,由高熵的物体变成低熵的能源,需要几千万年、甚至几亿年的时间。因此,我们必须节约能源,保护自然资源和环境!


地震博士


很高兴回答你的问题。

熵是热学概念啦。表征了系统的混乱度。混乱度越高,熵越大,也就越稳定。

任何孤立的系统总是存在着从高有序转化为低有序的趋势。这就是熵增的原理。

类似于臭味总是会逐渐消散、褶皱的纸很难变得特别平整。

甚至:你的家想要脏乱差很容易,想要保持干净、一尘不染很难。人往高处走、水往低处流。等等哲学道理,都隐藏了熵增的原理。

一般来说,气态物质的熵远远大于液态,液态远远大于固态。

而且温度也会影响熵,比如水,温度越高,越容易加剧水分子的运动,也越容易蒸发、降温等等。

整个世界,都处于这样一个趋于稳定、趋于低势能的状态。

希望这样的比方能让你了解。

如果觉得有用,您就给点个赞、粉个好友呗。

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毕竟,我辣么萌~


不哈韩的小韩


熵的定义与热力学定律特别是热力学第二定律息息相关。简单来讲,熵在物理意义就是衡量事物混乱程度的度量!

在孤立系统中,万事万物总是向着更混乱(无序)的方向发展,也就是向着熵增大的方向变化,这就是熵增原理。而我们的宇宙可以看做一个十分庞大的孤立系统,所以宇宙总是向着混乱的方向变化(熵越来越大)!

举个形象的例子,你家的房子几天不打扫,只会越来越混乱(无序),不会越来越干净,说白了,熵会越来越大!而想要房子变干净(熵减),必须向外释放能量,本质上会制造更大的无序!

熵,并非一个想象的东西,而是有一个简单明了的公式加以描述,这个公式是由玻尔兹曼提出的,在他去世后该公式被刻在玻尔兹曼的墓碑上!

熵增原理告诉我们,宇宙总是会无情地向着更加无序的方向发展,这是谁也阻止不了的!最终宇宙会走向彻底的无序!

但目前我们看到的各种有序环境与熵增原理并不矛盾,熵增的大趋势并不反对某个时间段某个区域的熵减(有序),所以人类存在的意义某种程度上就在于在宇宙无情地走向无序的过程中,最大程度上创造属于我们自己的有序环境!


宇宙探索


系统无序程度的度量。

信息论的熵是可量化的,一个binary就是一个基本单位。

对于系统,就是描述系统无序程度所需信息量的理论最小值。


SmileyWalker


大约从1987年到1989年,我读过一本叫做《熵——一种新的世界观》的书。现在把该书中关于“熵”的概念简述如下,供大家参考。

什么叫熵?举例说明:如果我们烧掉一块煤,它的能量虽然并没有消失,但却经过转化(燃烧)随着二氧化硫和其它气体一起散发到空中去了。

请注意:这块煤虽然在燃烧的过程中能量并没有消失,但是我们都再也不能把这块煤重新烧一次做同样的功,获得同样的能量了。

热力学第二定律解释了上述现象。(热力学第一定律是能量守恒,能量既不能被产生,也不能被消灭。)热力学第二定律告诉我们:当一定能量从一种状态转化到另一种状态时,我们就损失了能在将来用于作某种功的一定能量,就象那块被燃烧的煤一样。这就是所谓的熵。换言之,熵就是不能再被转化作功的能量的总和的测定单位,或热力学第二定律。

熵的增加,就意味着有效能量的减少,无效能量的增加。熵就是能量从可得向不可得,从有用到无用的转化,如污染就是能量从有效向无效,从有用向无用的转化的结果。生与死,冷与热,集中与分散,可得与不可得,价值与垃圾,秩序与混乱,开始与结束,……所有这些都象征着熵的定律。

如前所述,熵就是一定有效能量的耗散,且不能再度被利用。人类能够利用的一切资源,包括太阳,石油,煤炭,水,生命,等等。无不沿着热力学第二定律的轨迹向前运行着,都将从可得变为不可得,从有用变为无用,人类将面对的是一堆超大的难以想向的无用的垃圾(包据污浊的空气)——如果人类存续的时间足够长的话。

怎么办?有人在寻找新的地球,企图移民过去,且不说能否找到一个新的地球,即使找到了,又如何移民过去?因此,我们面对有限的资源只能是有计划地、有节制地利用,尽可能地放缓和延长能量耗散、转化的过程和时间。就是说,要精打细算地过日子。



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