【热力学】量子世界也吹空调，如何做到冷的越冷，热的越热

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精华笔记 

一、热力学第二定律

1. 宏观表述：一个封闭的系统，热量永远无法自发的从温度低的地方流向温度高的地方；

2. 要想推翻热力学第二定律，必须找到一个热力学系统，热量可以自发的从低温物体流向高温物体。

二、麦克斯韦妖

1. 麦克斯韦不喜欢热力学第二定律，提出了物理学界四大神兽之一：麦克斯韦妖；

2. 一个绝热的挡板，隔离了一冷一热两个热力学系统，挡板中间有一扇小门，由一个妖精镇守；    

| 麦克斯韦妖（严老师手绘）

3. 麦克斯韦妖不允许一切热系统中的分子通过挡板去到冷系统中，但允许一切冷系统中的分子通过挡板去到热系统中。宏观上看，这个系统就违反了热力学第二定律；

| 只允许冷分子流向热系统

4. 解释：麦克斯韦妖需要知道足够多的信息来识别分子，并且要频繁的开关小门，在这个过程中小妖精要接收外部的能量。因为信息的传递必须伴随着能量的传递，整个系统的熵值还是增加了，信息可以补偿熵增；

5. 结论：麦克斯韦妖系统并不违反热力学第二定律。

三、巴西科学家的实验

1. 用强磁场固定住一个CHCl3分子，使其中的氢原子和碳原子分别处于两个有温差的环境；

2. 实验发现如果这两个原子有量子层面的相互作用，热量会从冷原子流向热原子。表面上看，热力学第二定律就被推翻了；

| 热量从冷原子流向热原子

3. 解释：正是因为两个原子之间有量子关联，在关联的过程中外界向系统注入了信息和能量。发生热量流动时，量子关联释放了注入的能量，就好像麦克斯韦妖有选择的让分子通过一样；

4. 结论：这个实验并没有推翻热力学第二定律，反而可能找到了麦克斯韦妖。