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热力学第二定律是热力学基本定律之一,有很多种表述方式。

克劳修斯表述为:热量不能自发地,从低温物体转移到高温物体;而开尔文则表述为:不可能从单一热源取热,使之完全转换为有用的功,而不产生其他影响。

“与麦克斯韦妖更为贴合的大概是‘熵增原理’的表述方式。”

熵可以简单理解为,对一个系统“不确定性”或“混乱度”的量度。

颜也道:“熵增原理的具体内容即:不可逆热力过程中,熵的微增量总是大于零。也即在自然过程中,一个孤立系统总是自发地向混乱度增大的方向变化,总使整个系统的熵值增加。”

1871年,麦克斯韦在《热理论》一书的末章《热力学第二定律的限制》中,设计了一个假想的存在,即著名的“麦克斯韦妖”(axwell。'sde摸n),意图推翻热力学第二定律,证明自然界存在着与熵增相拮抗的能量控制机制。

这个理想实验简单来说是这样的。

有一个温度均匀的容器,内部被分成相等的ab两格,在分界上有一个小孔,有一只麦克斯韦妖,可以控制小孔开关,决定其中每一颗做无规则运动的空气分子是否通过。

这样一来,容器、其中的空气分子、麦克斯韦妖,便共同构成了一个孤立系统。

此时,若麦克斯韦妖控制小孔开关,使得空气分子中,速度较快的通过小孔跑向b格,较慢的跑向a格,整个盒子就能产生温差,孤立系统混乱度减小,即减熵。

沈雍乐开口补充:“利用这个温差驱动热机做功,就是第二类永动机的一个范例。”

颜也点点头,继续道:“但这个假想已经被证伪了。”

“1929年,匈牙利物理学家利奥·希拉德,首次将信息熵的概念引入到热力学循环中,认为麦克斯韦妖判断分子快慢的过程,也会导致整体熵的增加。”

“之后到1961年,兰道尔原理在信息理论和热力学之间建立起了一个基本联系,证明了写入或擦除1比特信息,会导致kln2jk热力学熵的改变。”