03.06 熱力學第三定律和質能守恆定律是否矛盾?

懶羊羊243973331


不矛盾,你的理解是有點錯誤的。

首先,熱寂不是熱力學第三定律推出來的,而是熱力學第二定律,該定律描述的是不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響,或不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響,或不可逆熱力過程中熵的微增量總是大於零。

當然,熱寂的提出還有其他理論的支持,其中就有能量守恆。

能量守恆或質能守恆:能量無法創生或消失,它只能從一個形式轉化成另一個形式,一個系統的總能量不變。

通過這寫個定律我們推出來宇宙最終可能是熱寂,而熱寂的本質也不是消耗,熱寂專業的描述是這樣的:宇宙的能量保持不變,宇宙的熵將趨於極大值,伴隨著這一進程,宇宙進一步變化的能力越來越小,一切機械的、物理的、化學的、生命的等多種多樣的運動逐漸全部轉化為熱運動,最終達到處處溫度相等的熱平衡狀態,這時一切變化都不會發生,宇宙處於死寂的永恆狀態。

所以:

1.宇宙能量守恆,

2.宇宙的熵不會減少。那麼將得到,宇宙的熵終將達到極大值,即宇宙將最終達到熱平衡,稱熱寂。

從百科的介紹可以看出熱寂的本質不是“消耗”,而是平衡,它的所有的用詞都用的轉化,所以熱寂它考慮的是平衡、最小、守恆的思想。

平衡是一個平衡、穩定的狀態,一個獨立的系統總是自發的趨近於平衡態,這是因為能量高的系統不穩定,它總會想辦法把自己能量高的那部分減小,讓自己穩定,但又要求總的能量沒有變化,那這怎麼辦?能量守恆告訴我們,能量可以轉化,所以能量只能內部轉化成其他形式。

這就是熱寂:它設想,宇宙是個獨立的系統,這個系統內部的能量隨著熵的增加,它要平均分給整個宇宙,通過能量轉化的方式,最終平均下來的能量每一份特別少,少到宇宙啥都做不了,只能陷入永恆的死寂。

最後我提一下熱力學第三定律:絕對零度不可能達到。

你覺得這跟能量守恆有啥矛盾的。。。


螞蟻科學


首先一點,題主混淆了熱力學第二和第三定律。熱力學第三定律表明,完美晶體的熵在絕對零度時等於零,或者說溫度無法降低到絕對零度(0K或-273.15 ℃)。

事實上,宇宙的演化與熱力學第二定律有關。根據該定律,孤立系統的熵只會自發地增加而不會減少,這意味著系統的有序度變得越來越低,混亂度逐漸升高,有用能逐漸消耗。如果整個宇宙是一個孤立系統,那麼,由於熵增原理,宇宙的熵將會自發地逐漸增加。

隨著時間的推移,空間不斷膨脹,宇宙的混亂度逐漸增加。與此同時,宇宙中的有用能也會逐漸消耗。例如,恆星通過核聚變產生熱量,這個過程是不可逆的,不能再讓這些能量回到恆星中,所以宇宙中的有用能會變得越來越少。但在此過程中,質能總和是守恆的,只是改變了形式而已,這與質能守恆並不矛盾。因為宇宙是一個孤立系統,並沒有與外界存在聯繫,所以能量沒有耗散掉,只是變得無用。

經歷漫長的時間之後,宇宙所有天體不再發光,就連黑洞也會蒸發掉,粒子也會衰變,宇宙將會達到最低能量狀態,即整個宇宙達到熱力學平衡。那時不再會有能量的交換,一切活動完全停止,宇宙的熵增加到最大,這就是熱寂的結局。

不過,也有人指出,宇宙可能永遠也達不到熱寂。因為整個宇宙並非靜態的,而是在不斷膨脹,從138億年前開始到現在一直沒有停止過膨脹,並且未來還會繼續下去。這意味著作為熱力學系統的宇宙並不能保持穩定,所以熵永遠也不會增加到最大。


火星一號


熱寂說本質宇宙各物質能量達到了均一的狀態,沒有任何做功的趨勢,表面上是消耗,但是消耗的不是能量,因為能量是守恆的,消耗的是能量的可利用程度,衡量這個的標準是熵,說白了就是混亂程度,熵越大,代表混亂程度越大,或者說分佈更均勻,能量的可利用程度就越小(這樣說其實也很抽象)所以要想明白這個問題,就必須明白熵是什麼東西,我這裡只對熵做籠統的描述。

舉一個簡單的例子,往一杯純淨水裡面滴一滴墨水,過一段時間發現墨水擴散了,最後達到了均勻(這裡指理想狀態),墨水最初的運動範圍僅有一滴水體積大的地方到整杯水體積大的地方,所以說熵更準確的描述是分子的分散廣度,也就是隨機取一個分子可以取到的位置有多廣。很顯然墨水擴散例子這個過程就是熵增過程,或者說變混亂的過程,在自然狀態下一切物質都是按這個方向進行的,如果要向相反的方向進行必須消耗額外的能量(比如夏天開空調室內溫度比室外低,行程這個溫差條件是空調通過消耗額外的電能做到了)。這裡就描述了分子的運動趨勢,這貌似和能量沒什麼關係。所以這就得扯一下做功原理。以內燃機為例,做功是靠氣缸內氣體膨脹推動曲軸轉動來實現的,說白了就是存在壓強差,咦?壓強差,講到這你就應該明白一點了,兩邊是不均勻的,根據熵增原理,自發進行的反應都是熵增的,所以,推動做功的過程就是一個熵增過程,他的趨勢就是為了使兩邊的氣壓均勻,而燃燒汽油是為了在氣缸內製造壓強差的條件,這給人的錯誤的直觀感覺是汽油燃燒的能量推動了機器,其實本質上能量沒有消失,只是轉化成了其他形式,絕大部分變成了分子熱運動擴散到了大氣中,所以地球上出現能源危機的同時還會出現全球變暖,這點矛盾不矛盾呢?能不能將熱能收集起來緩解能源危機呢?當然不能,難道專家政府都是傻子?上邊講了,分子熱運動擴散是熵增過程,是自發進行的反應,阻擋不了,除非消耗其他的能量,然而消耗能量去收集地球上的熱能是入不敷出的,而且消耗能量的同時又會產生額外的熱量,會掉入一個死循環。

生活中其實有很多例子,比如颳風,這是溫差造成的;洋流,是海水濃度差;水往低處流,勢能差;霧霾擴散,濃度差;甚至可以拓展到包括整齊的房間房間物品隨意擺放,一定會越來越亂;人的生長過程等等,這裡都體現出了“不均勻”這種現象,而熵增過程就是把“不均勻”變成“均勻”的一種過程,而生活中我們所見到的一切自發現象都是熵增過程。

所以,現在你明白了吧,能量不會消失但是有些能量是不能利用的,均一的體系不會再發生任何自發反應,如同一潭死水,即使有能量也利用不了,即使能量再多也是沒有意義的。

根據熵增原理,物質能量自發趨向均一,熱寂說正是在這一大背景下誕生的,認為宇宙總有一天熵能達到飽和值,就像混合均勻的墨水一樣不在有任何自發反應,到時候就會像一潭死水,世界末日。這個理論是站不住腳的,熱學定律的導出僅是在以地球環境實驗現象下,而熱寂說將其推向整個宇宙,宇宙的系統事多重複雜的,有很多現象是熱力學定律無法解釋的,所以不能擅自推向宇宙。


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