在我們日常生活中，經常遇到一些無法逆轉的情況，比如把牙膏重新擠回管子裏、將蒸汽的分子重新聚合成水，這些問題都與熱力學中的第二定律即熵定律有關。在一個封閉系統內，熵總是傾向於增加。因此，隨著時間的推移，宇宙整體的無序度增加，導致了一種不可逆的混亂狀態。今天，就讓讓我們深入了解下這個神秘的概念。
熱力學，在工程學、自然科學、化學、物理學還是經濟學等各個科學領域都非常重要，在熱力學中，孤立系統指的是一個特殊的系統，它是完全封閉的，既不允許能量的進出，也不允許物質的交換。
熱力學的第一定律與能量守恒有關
在一個孤立系統中，能量保持不變，這意味著能量既不能被創造也不能被銷毀。然而，能量會不斷地改變形式，例如，火熱可以將植物中的化學能轉化為熱能和電能，電池可以將化學能轉化為電能。這樣，世界變得越來越無序。
熱力學的第二定律，也被稱為熵定律，是自然界中最重要的定律之一。熱力學熵是衡量封閉系統中無序程度的一個度量。根據第二定律，當系統的熵增延長，內能通常也會增加。如果能量沒有被有效利用，熱能會擴散開來。由於熵的度量基於機率，理論上來說，系統的熵偶爾也有可能減少，但這在統計學上一般是不可能的。
熵的定義涉及到孤立系統中無序程度的衡量
雖然我們很難找到一個完全不允許能量進出的系統（我們的宇宙是一個例子），但熵可以描述大到宇宙這麽大的系統，小到一個裝滿咖啡的保溫瓶系統中發生的無序程度。這種能量擴散的傾向通常透過溫度來表示。
以一個裝滿熱咖啡的保溫瓶為例，當熱咖啡倒入保溫瓶時，保溫瓶的熵會增加。當熱能逐漸減少時，實際上也會伴隨著熵的增加，因為熱能傳遞超出了保溫瓶。最終，保溫瓶將達到熱平衡，與周圍環境的溫度保持一致。
然而，熵與我們通常理解的無序不完全相關。例如，如果你將一群黑猩猩鎖在廚房裏，熵更多地與在這個廚房中可能發生的不同混亂狀態的數量相關，而不是它的無序程度。當然，熵取決於許多因素，包括黑猩猩的數量、廚房中儲存的物品數量以及廚房的大小。
因此，如果你看到兩個廚房，一個非常大並且擺放著許多物品，但非常整潔；另一個較小，物品較少，但被黑猩猩弄得一團糟，你可能認為後者更加無序，但這並不一定是正確的。熵更關註的是在一個系統中可能發生多少種不同狀態，而不是它目前的無序程度。因此，如果一個系統中存在更多的分子和原子，它的熵也會更大；如果有更多的黑猩猩，熵也會增加。
熵是一個非常令人困惑的概念
實際上很少有人真正理解。概念本身非常復雜，部份原因在於熵的不同型別。例如，負熵、過剩熵、系統熵、總熵、最大熵和零熵等等。匈牙利數學家約翰·馮·紐曼感嘆道： 「在討論中使用‘熵’這個術語的人總是贏家，因為沒有人知道熵到底是什麽，所以在辯論中總是占有優勢。」
對於熵的定義可能因不同學科的使用而有所變化，所以如果你感到困惑，不必感到難過。19世紀中葉，德國物理學家魯道夫·克勞修斯在研究蒸汽機效率問題時引入了熵的概念，以幫助衡量無法轉化為有用工作的無用能量。
幾十年後，另一個「熵的創始人」路德維希·波茲曼使用熵的概念來解釋大量原子的行為。盡管描述一杯水中每個粒子的行為是不可能的，但當它們被加熱時，熵的公式仍可以用來預測它們的集體行為。
美國物理學家E.T. 傑恩斯在20世紀60年代將熵解釋為我們所缺失的資訊，用來描述系統中所有粒子的運動。例如，一莫耳瓦斯包含著6 x 10^23個粒子，因此描述每個粒子的運動是不可能的，所以我們采用了一種次優的方法，不是透過每個粒子的運動來定義瓦斯的狀態，而是透過溫度、壓力和總能量等總體內容來進行描述。我們在這個過程中失去的資訊稱為熵。
熵的概念對科學非常重要
20世紀科學家亞瑟·愛丁頓認為，熵的理解對科學至關重要。他在1928年的【物理世界的本質】一書中寫道： 「熵總是增加的定律，在自然法則中占據至高無上的位置......如果你的理論與熱力學第二定律相悖，我無法給你任何希望；只有在極度的悲傷中才會崩潰。」因此，熵不可忽視，它的存在給我們的宇宙帶來了無法逆轉的混亂。因此，盡管現在對熵的理解仍然充滿了挑戰，但是卻變得更加有趣，
