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热力学|第二热力学还能被违背吗？麦克斯韦的恶魔到底是何方神圣？

“麦克斯韦的恶魔”是英国数学家物理学家麦克斯韦在1871年提出的一个思维实验 。 在这个思维实验中 ， 一个孤立系统尽管保持着恒温平衡状态 ， 但仍能被外部装置汲取能量 。
热力学|第二热力学还能被违背吗？麦克斯韦的恶魔到底是何方神圣？
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年轻时帅气的科学家詹姆斯?麦克斯（图源：Biography）
简单来说 ， 麦克斯的想法巧妙地撬动了最基本也无可争议的宇宙定理：热力学第二定律 。 能凭空变出“功”和能量来 ， 麦克斯的这个想法自然让他的同行都困惑不已：这不就意味着给狼吞虎咽的蒸汽机喂煤炭的时代终于要结束了吗？人人都有免费午餐吃了！
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麦克斯的想法令人震惊
第二热力学定律现在看起来不这么基本了吧？其实也没有 。 想要理解这个想法 ， 我们首先得知道第二热力学定律说了什么 ， 还有为什么发现一个漏洞就会引起如此骚乱 。

孤立系统以及第二热力学定律
热力学是物理中关系到热量和能量行为的一个分支 。 热力学把一个孤立的系统描述为一个与外部世界/过程完全没有联系的空间区域或封闭装置 。 开放和非孤立系统则是物体能与外界过程交流的空间区域 。
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系统的边界和外围（图源：Wavesmikey/Wikipedia Commons）

这条定律支配了两个温度不同的物体或区间之间的热量流向 。 如果两个温度不同的物体彼此接触 ， 并且它们都孤立于外界环境的话 ， 它们就会达成一个热力学平衡 ， 最终使得两个物体的温度相等 。 那当我们想象到底发生了什么的时候 ， 可以非常逻辑性地推断说热量肯定从温度高的物体流到了温度低的物体 。
然而 ， 它们若是得到另一个系统的协助（非孤立系统） ， 热量便可以反方向流动 。
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热力学平衡由热量流动达成（图源：Media）
我们可以把这种交换想像成两个桶之间在交换水 。 在这个假设中 ， “温度”这个概念可以被描述为每个桶中的存水量 。 一个高温度的物体就会被想像成有更多水的桶 ， 而低温度物体则是水较少的桶 。
如果这两个水桶被一条细长的水管连接起来的话 ， 如下图所示 ， 你就会看到水较多的桶中的水流向水较少的桶 ， 直到两边都边的一样多 。 从现在起没有水会继续流动了 ， 这就表明平衡状态已经达成 。 注意一下这个情况代表的是一个孤立系统 。
>现在 ， 水还能向另一个方向流动：从水少的水桶流向装满水的桶 ， 但是只能在前者做功的情况下达成 。 把系统倾斜到一个角度使得第一个桶中的水流入第二个桶 ， 或是用第三个桶把之前的桶灌满 。 两种情况都需要外部能量 。 这个情况代表的就是非孤立系统 。
冰箱和空调都能证明这一点：制冷是以另一个系统——冷凝器的热量升高为代价的 。
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冰箱工作原理（图源：Butterfly Field）
用“熵”也可以定义这个定律 。 熵是对一个系统的无序性或随机性的度量 。 从随机性角度看的话 ， 在孤立系统中熵只能够增加 。 而在非孤立系统中 ， 当我们观测到一个可逆转过程 ， 那熵就是个保持不变的常数 。 当然 ， 不变性是由外界环境为代价的 ， 被放逐的热量仍然增加了整个宇宙的熵 。 熵的增加恰恰说明了自然过程的不可逆转性 。
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熵增加的过程 ， 从有序到无序
因此 ， 在平衡的系统中提取能量是完全不可能的 ， 但恶魔是怎么做到的？
麦克斯韦的恶魔——定律的漏洞这个实验源自1867年左右麦克斯韦（Maxwell）和彼得?泰特（Peter Tait）之间的信件交换 。 当麦克斯韦的热力学著作《热理论》于1872年发表后 ， 他的恶魔才逐渐被公之于众 。
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麦克斯韦《热理论》一书（图源：Amazon）
麦克斯韦从未用过“恶魔”这个词 ， 而是说在实验中会有一个“有限存在者”代理人打开房间中间的门 。 然而 ， 在1874年的《自然》日报中 ， 威廉?汤姆逊（William Thomson） ， 也就是开尔文勋爵 ， 第一次使用了“恶魔”这个词来描述麦克斯韦所说的“代理人” 。


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