主题：【原创】【原创】简单说说热力学 -- Swell

跑到别的帖子说了半天，想想还是自己写一个吧。科学的历史马马虎虎，争取把概念说明白吧。如果读了此文不再认为熵是道或者乱七八糟的话，我应该就算成功了。

热力学完全是从实践出来的。当年大家一门心思研究发动机，特别是永动机（热力学的两个定律分别就叫第一类，第二类永动机不可能定律）。方法五花八门。只有一个老实巴交的工程师卡诺，认认真真测量烧了多少热量，做了多少功。最后发现没办法把所有的热量全都转化成功。必须耗散出去一点。这个，也就基本是第二定律了。写出来之后，没人当回事，有人看了也认为是错的。直到开尔文那里又加工了一下才得到重视。

耗散出去的热量，和温度成正比，那这个比率就体现出了物体储存热量的能力（其实当时是热质说，当时的理解就是这个量就是对应的热质），就叫做熵。熵和温度，对应的就是体积和压力。体积和压力有多自然，熵和温度就有多自然。唯一的就是这个耗散是不可避免的，所以熵是只能增加的。到这里，完全是通过对实践观察总结出的规律。为什么这样，知道就不叫定律了。

这东西有用，但是到这里也没大用。这个定律说的是一个孤立的系统，不和别人发生力，热和物质交换的情况下的规律，大概就是在宇宙中孤零零的一个恒星什么样子。这实在没啥大用。更有用的是我在实验室做个实验，酒精灯烧到啥程度合适这种问题。这就是一系列的数学模型推导了。长话短说，就是要建立一个系统/环境的模型。你关心的那个东西叫系统，它之外的东西叫环境。你的实验设备叫系统，周围的空气叫环境。然后假设环境是足够大的，不受你的影响。根据系统和环境的边界条件，是恒温啊，恒压啊等等，把熵增加这个定律变成其衍生的最小自由能定律（一堆数学推导，挺唬人但是不难）。这可就有用了。有啥用呢？想想还是举个实际例子吧。特斯拉不是电动车出风头嘛，通用说我们也不能落后。电池组的一个工程师一天看一个文章：某某电池化学反应比现在用的电池储量可以增加一倍。领导听了就上头了，咱们把这玩意研究出来特斯拉还不等着吃灰啊。300迈变600迈，彻底解决充电焦虑。搞，一定要搞。但是电池充电要发热，发热要膨胀。这几个东西是耦合的。只有控制了膨胀，才能正常充电。所以就有一个外力需要多大的问题。拿热力学一算，原来的电池需要的力大概是一个成年人的体重，这个呢？三头大象。好嘛，汽车成装甲车了。哪有免费的午餐？那工程师就放弃了？当然没那么容易，咱们看看能不能找一找充电能力提高一半，但是受力也小一点的办法，这就是用热力学不断寻找平衡点，结果咋样吗？那我就不知道了。

而现在越来越多的问题变成多场耦合问题。没办法，尺寸越来越小，散热问题越来越突出。功能性材料，智能材料。热力学没搞明白是要闹大笑话的。我就看过一次。一个博士讲他的发现，旁边一个教授指出来他做的东西能量可以自发增加。几十页的东西，才几页就讲不下去了。

总之，这是一门关于能量的科学，广泛应用于各个领域。基本的定律或者假设是从实践中观察总结的，历经无数检验暂时还没有发现反例。熵有着明确的定义但是大家更多的是用其衍生的概念去解决实际问题。

这里我没有谈后来的统计力学，玻尔兹曼对热力学的发展，以及统计力学对熵这个概念的发展。这里就是对应很多混沌，混乱度的概念。一个原因是原有的理论是自洽的，这些东西没有也不影响前文的结论。另一方面，还是别绕了，我手机打字也不容易

我看了那个提到熵的帖子。那人大概不懂物理学这个概念，却从政治角度大发议论。这样的人你是无法说服教育的。

全球变暖也是同理，也能被看作西方美国打压中国的阴谋。除了服气闭嘴，你还能怎样。

太闲了还是。刚刚紧张忙完一个东西，太放松了。

比萨斜塔实验有什么不对劲的地方，我果然不具备当科学家的潜力

可以使用热力学第二定律推论出宇宙终结于热寂吗？

这个推论很正常，把系统无限扩大，理论上不就归于热寂吗。但是第一个事情就是按照现在的观点，我们的观测能力是有限的，观测不到的地方什么样我们说什么也没有意义。所以先限定一下：在我们能观测到的范围内。

然后更关键的是：你有什么验证方法。如果你什么都不做那差不多就是空谈，没有意义。可以在你能观测的到的地方，虽然不是一个绝对的孤立系统，可以近似一下。虽然我没法观测一个足够大的时间段，但是可以试着看看趋势。水平有限，结论不唯一这些都是正常的。只要照着这个路子走了就应该算是科学研究吧。对错吗，在我有限的认知里，这个结论看起来是最合理的。也就能到这里了。

关于宇宙的研究我不懂，差不多就是看新闻看热闹的水平。但是也有感于人类无穷尽的好奇心以及利用及其有限的资源去探索未知的勇气。我们只是一粒尘埃，却试图理解整个全宇宙。错误是难免的，但是不是可笑的，是可敬的。就如亚理斯多德关于力和速度的错误理论，托勒密的日心说，都是可敬的。我们的研究也就是未来的一块垫脚石而已。

但是我认为核心我还记得：亚里士多德说过：重物下落的快。这符合生活常识：铁球比羽毛下落的快。比萨斜塔实验，假如真有的话，就是我拿两个铁球，一个一磅，一个十磅，然后往下落。实验人试图证明对于这两个铁球下落速度一样。

但是一是要是看仔细了，还是十磅落的快，快一点算不算快？再说我可以说这个重量相关。小的时候变化大，大的时候变化小。想说明的道理是单纯通过观察是不够的，需要借助一个模型（或者理论工具）想好你要观察什么。

更多的是这个文章本身就是对伽利略实验的一个打脸：伽利略就是因为没有手段去测垂直下落问题，不得不借助斜面去冲淡重力的作用。那可是一个6米长的斜面。而且他没法测量运动中的状态，只能记录一个起点到终点的时间，通过变高度获得一系列数据。速度平方是推出来的，不是直接测出来的

原因有二：

一，涨落在时间和空间范围的局域性以及该局域性对人类历史进程的有意义性

二，宇宙的局域性可知以及该局域性对人类科研发展的有意义性

换言之，哪怕宇宙最终归于热寂，也与你我以及你我的后代的后代的后代的后代的后代的后代的后代。。。的后代无关。

呵呵呵呵呵

理想环境一般情况下是不存在的，所以只能抓主要因素，忽略次要因素了，找重点是最难的，也是最有价值的

顺手写着玩一下吧。

我儿子上初中的时候，老师留的作业就是试着重复一下伽利略实验。这差不多也成了考验我动手能力了。

咱们先是找了一个高分子材料精制而成的球体。曲率绝对均匀，表面经过特殊处理可以有效降低空气的阻力（高尔夫球），然后又用了另一个高分子材料经过现代工艺制成的圆柱管（下水道pvc管），用床锯精确的切成两半。

以上还只是小菜，我手持精度超过千分之一秒的精确计时装置（手机的秒表），后来我儿子还嫌我动作不协调直接把过程录了下来，通过图像分析软件一帧一帧的看确定时间，这大概算图像处理技术吧。想想伽利略只能用脉搏，哈哈哈，让我先笑两声。

有了这么多外星科技加持，完爆伽利略应该是不在话下了吧。结果是：我俩忙活了一晚上，连速度平方和高度成正比这个结论还得的有点勉强。问题出在哪呢

管子太短，差不多就一米，实在不好掌握。

球太轻，看着下落的时候有跳起来的嫌疑。

管子有点软，自重都有点导致变形了

初始的时候掌握的不太好，球总是有点初始速度…

结果就是完败。要是当年换成我俩，人类就玩完了。

用的是角钢加轴承滚珠，效果还可以。

据说这个是物理学研究生课程

热寂说是封闭系统理论盲目外推得到的结论，而现实宇宙是个开放式系统

亚里士多德的说法是，物体下落的速度和重量成正比。

伽利略通过数学思辨就驳倒了亚里士多德：

一个8磅的石块，一个4磅的石块，前者下落速度是后者两倍；

如果把石块绑到一起呢？快的会拽着慢的，慢的会拽着快的，速度应该在二者之间；

然而，绑到一起的石块不是12磅了么，难度不应该更快？

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亚里士多德是凭经验得出结论的，甚至都不知道自由落体是变速运动。

伽利略通过斜坡实验发现了重力加速度，非常了不起。