熵与㶲

热力学第一定律简洁明了，但并不总是那么有用。它并没有告诉我们物理和化学反应过程中的能量随着时间的推移在系统中发生了什么变化。第二定律比第一定律要复杂得多，也更不容易掌握，但它告诉我们，在现实世界的每一次能量转换中，都有一些物理量被消耗了。但被消耗物理量是什么，又是如何测量出来的？它当然不是能量，因为第一定律说能量是守恒的。

热力学第二定律指出，能量转换的过程不是随机的，而是有一个最大化熵的趋势。熵是对系统无序性的度量。一个高度有序的系统（桌子上按字母顺序排列的书）比一个无序的系统（桌上的书杂乱无序地摆放）的熵要低。

当相互接触的物体或系统之间存在温度差时，它们总会达到热平衡，最终稳定在相同的温度上。例如，饮料中的冰会融化，冰块变热，饮料变凉，直到两者之间达到热平衡。热力学第二定律告诉我们，热量是从温度高的地方向温度低的地方传递，而不是相反。例如，信风和洋流是通过空气和水的流动，把聚集在赤道附近的太阳热能向两极传递。

不是只有热系统才会消除差异。总的来说，世界在不可阻挡的力量的驱动下滑向同质性（homogeneity）。当任由自然自行发展时，自然就会滑向无序，世界上到处都有体现这种整体趋势的例子。在缺乏有目的的生命形式（植物、动物、人）的情况下，系统倾向于滑向统一的混乱。如图书馆、摩天大楼和城市等高度工程化、制造化和有序化的系统不是偶然发生的——此时系统的熵值较低，只有你放手不管的时候，系统的熵才会开始增长。花园也是一个很好的例子：放任不管，花园就会变得杂乱无章。一桶油含有丰富的长链碳氢化合物混合物，其中含有潜在的化学能，可以被分选并转化用于产生能量或塑料等各种化学品。炼油厂、运输油轮、汽车发动机和排气系统排出的热量更为高熵且无用。

熵这个概念的另一面是“㶲”。在现实世界的能量转化过程中，熵增加，㶲减少。㶲是可用于做有用功的能量。这是一个需要理解的概念。1千兆焦耳的能量相当于278千瓦时的电量（平均每个英国家庭三周的用电量）或36千克的煤炭产生的能量，或我们将一个24吨的小型花园游泳池里水的温度提高10°C时需要的额外储能。它们都相当于1千兆焦耳的能量，但并不是所有的能量都可以用来做有用功。

除了死亡、税收和热力学第二定律，生活中没有什么是确定的。这三个过程都是把某些量从有用且可得的形式——如能量或金钱——转化为等量的无用且不可得的形式。

——赛思·劳埃德（Seth Lloyd）
麻省理工学院机械工程与物理学教授

我们不可能从煤中或者游泳池的储能中获取100%的能量去做有用功。有时我们将能量的质量分为“高品质能量”或“低品质能量”。例如，热是粒子的微观随机运动，而功是粒子更宏观的有序运动。

因此，热能不那么有序，能量品质也较低。功比较有序，能量品质也更高。电能（储存功的一种形式）是一种能量品质更高的能量形式——它具有做各种功的潜力，可以完全转化为热能。因此，我们可以用电加热游泳池。热能的能量品质较低，不能100%地转化为电能（或任何其他形式）。即使是最好的现代联合循环气化涡轮发电站，我们也需要用大约能产生2千兆焦耳能量的天然气发能产生1千兆焦耳能量的电。

热力学第二定律告诉我们，我们不能无限地把能量从一种形式转换成另一种形式，再转换回来，而过程中又不损失什么能量。这就是为什么尽管发明家们做出了许多勇敢而富有想象的努力，但永动机这种不需要外界输入能量就能无限运转的假想仍有待证明。

在能量转换的过程中，有不同的方式表达能量品质的变化。每一次能量转换都有：

·熵增：有序性/异质性/复杂性减小，无序性/同质性/同一性增大。

·㶲减：系统中的有用性减小/能量品质下降。

为了产生能量，我们必须使世界重新排序。或者换一种说法，当世界自己重新排序时，能量就产生了。重新排序可以发生在原子核和原子水平（核裂变/为太阳产生能量的核聚变），或在分子水平（物理摩擦和化学反应，如复杂的碳氢化合物与氧气结合产生能量、水和二氧化碳），或者在宏观水平（通过固体、液体和气体的压力、体积或温度变化为发动机提供动力）。

我们对能量的理解来自一些非常有想象力的宇宙起源假想，虽然我们已经解决了大量的数学问题，但事实是，能量不是一个简单的“东西”。然而，它是我们世界未来的一个关键部分。迅速增长的人口虽然正试图摆脱三个世纪以来对化石燃料的依赖，但仍然渴望能源（特别是电能），关于什么是能源、为什么能源如此重要以及我们应该如何管理能源，也仍然存在一些相当奇怪的经济、技术和社会观念。 a4OfPXD3tBShQZvbHrxqdbfaSWQxd0BUlMGrZ64ujCwt7azU321xGUgMOefrH56Z