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從宇宙的定律看環境的變遷:(四) 亂度與平衡狀態
2010/04/17 09:29:30瀏覽1944|回應1|推薦11

這裡先以第(二回)中的一段作說明 -「亂度」在詞意上就是混亂的程度,事物整齊不亂,熵值就小;事物愈混亂,則熵值愈大。例如,夏天的湖水較冬天結冰的湖混亂(直覺上,水會流動,冰不動),故熵值較大;氣體較液體的分子間距離更大,流動性更佳,故依序氣體的亂度>液體的亂度>固體的亂度。又如,1公斤的水與0.2公斤的糖混合成1.2公斤的糖水,較1.2公斤的純水混亂,故通常兩個事物混合後的熵值變大。

前已談過,由「熱力學第二定律」與「熵增加原理」可知,加熱與不可逆因素恆使物質或系統的「熵」或「亂度」增加,放熱或冷卻可使物質或系統的「熵」或「亂度」減少。一般而言,「熵」或「亂度」是隨溫度的上升而增加的,隨溫度的下降而減少的。

既然諸多因素促使物質及系統的亂度增加,環境變的愈來愈混亂。然而今日的大氣層成分與濃度與近百萬年前的並沒有太大的差異(雖然二氧化碳等溫室氣體的濃度增加),近萬年來地球的環境、氣候及動植物生態還算維持在一安穩的狀態(雖然有不少生物瀕臨絕種危機),並沒有所謂的混亂不堪的現象發生。這個「亂度」聽起來是滿嚇人的,到底是何意義了?

實際上,「亂度」(disorder)是機率(Probability)裡頭的用語,是表示最可能的狀態”(most probable state)。若某一可能的狀態數目多,其發生的機率就大,若某一可能的狀態數目少,其發生的機率就小,數目最大者就用來度量物質與系統的「亂度」或「熵」。不亂是指可能的狀態數目不多,很亂是指可能的狀態數目很多,最亂是指可能的狀態數目最多,為一最大值,最可能發生。就如同中樂透彩頭獎的機率是幾億分之一,難如登天;但中四獎的機率是幾萬分之一,倒是有機會;不中獎的機率最大,可能超過九成,故未中獎的人數最多,這最多最大的人數就等同於「亂度」或「熵」。

再舉個將奶精倒入咖啡的例子作說明。

將一個小球的白奶精緩緩倒入一杯黑咖啡中,看看如何變化。起先奶精還聚在一起,多浮在液面,看起來尚整齊不亂;接著奶精散開、下沉,愈來愈散亂,黑咖啡也慢慢變成深褐色;再等個一會兒,奶精漸漸混於咖啡中,杯內咖啡變為中褐色、淺褐色,最後顏色再也沒變化。以上過程若用湯匙攪拌,就會很快的達到均勻。奶精完全均勻的混入咖啡中,與奶精最混亂的分散於咖啡中的意思是一樣的,這是最混亂的情況,亂度最大,以後不再有更混亂的狀況,就是最可能的狀態,是變化的盡頭,已達到新的平衡狀態,也對應著新平衡狀態的「亂度」與「熵」值。(註:若是隔離系統,「熵」值是不能減少的。)

在此例中,溫度、氣壓、咖啡量、奶精量就是環境對系統的限制條件。由此可推得下述的準則

平衡狀態準則:事物或系統由初始狀態發生變化時,在環境的限制條件下,當最可能的狀態發生時,事物就達到新的平衡狀態,「熵」或「亂度」是最大值,不再改變,即ΔS = 0

套用「最危險的地方,就是最安全的地方」,平衡狀態的準則就相當於「最混亂的狀態,就是最平穩的狀態」。

新的平衡狀態又能維持多久呢?這就要看環境的限制條件有無改變。當改變的幅度足以啟動不穩定因子,環境就開始變化,直至下一個新的平衡狀態為止。近五十億歲月的地球已歷經許多差異極大的世紀,如三疊紀、侏羅紀、白堊紀全新世,包括了十多個冰河期,每個階段都是一個平衡狀態,有不同的地貌與動植物生態。

促使物質或環境發生變化的二個因素:自發性的,外在的。

自發性的:是指無外界的干擾,自然的發生變化。例如,打開香水瓶,香味會自然地向四方擴散;又如,熱量由高溫傳到低溫。

外在的:受外界的干擾發生的變化,如太陽光的照射,燃燒爐、起動機車、冰庫冷凍,洪水、地震、火山爆發等。 

現下全球溫升、極地冰層快速溶化、海面上升、惡劣氣候不時出現,將帶領地球環境至何種新的平衡狀態?中間的過程為何?對環境生態會造成多大的衝擊?許多野生動植物瀕臨絕種意味什麼?人類是否能適應新的環境?等等問題困惑著人們。

很明顯的,工業與經濟發展產生的污染,資源與能源的過度消耗,土地的過度開發,森林的過度砍伐,是這次或未來環境大變遷最主要的外在因素。

陶淵明辭官歸鄉後就過著清閒的田園生活,在歸去來辭中寫到,「悟以往之不諫,知來者之可追,實迷途其未遠,覺今是而昨非。」本系列就在此打住。

( 創作散文 )
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小肉球
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明白!
2010/04/18 10:01

陶淵明辭官歸鄉後就過著清閒的田園生活,在「歸去來辭」中寫到,「悟以往之不諫,知來者之可追,實迷途其未遠,覺今是而昨非。」本系列就在此打住

明白!東耳兄意思是說,講熵呀,不可逆呀,對你們都是馬耳東風,對牛彈琴!

嘻嘻,沒辦法呀,小肉球學文科,講人文社會還行,碰到理科就霧煞煞,除了敬畏,還是敬畏。


名偵探柯南名言:真相只有一個!
東耳(b718a718) 於 2010-04-18 13:56 回覆:
謝謝!妳客氣了了, 請多指教.