不可逆過程

把一個吹得很硬的氣球拿進房間，打開它的通氣孔。氣球內被壓縮的高壓氣體就會流出來。以後全部彈子球就均勻分佈在房間里。如果你要等待這些彈子球自動地再一次回到氣球里，那將會白費工夫。空氣的均勻分佈將成為長期持久的平衡分佈。

實驗9-1：你能恢復冰塊嗎？

丟一塊冰塊到一杯溫水裡，然後等待。會發生什麼現象？冰塊會化掉。已化掉的冰還能聚集到一起，並且以原來的冰塊的形狀跳出玻璃杯嗎？（你當然可以想象這樣的事情，但千萬別期望它真正會發生。）

是什麼使我們認識到這個過程不可能反過來進行呢？讓我們把這個過程拍成電影。再把電影倒過來放。如果你覺得這樣放出的電影是荒唐的和異常的，這個過程就是不可逆的。

封閉系統里發生的過程都是對時間不可逆的過程。這一經驗事實的結論和第二定律告訴我們的相同：在由許多組分組成的封閉系統中，有序分佈後面總是一個無序分佈，而不是反過來。

實驗9-2：擺的擺動可逆嗎？

把一個物體掛在幾寸長的線上，使它作小擺動。觀察擺動幅度的變化。只觀察一兩次擺動，可能會以為它是個可逆過程，其動能和勢能之

和保持恆定。但是擺動幅度和擺的高度開始慢慢減小。最後物體靜止在其最低位置。其能量在擺動過程中不斷減小，在其末態能量為最小值：0。

實驗9-3：加大擺動的阻尼

用懸掛在一杯水中的物體重複上一實驗。這一次擺動變慢要快得多。在短得多的時間裡就到達了最終的最低能量。能量消失到什麼地方去了呢？應當對此負責的必定是水！

再一次重複這個實驗。將懸掛的物體拉到一邊等到水平靜下來。然後在水裡放一點點高錳酸鉀並放開物體，讓它再次擺動。在物體擺動過程中水裡將發生什麼事？你看到並且懂得物體的擺動減小時其能量消失到哪裡去了嗎？當物體在空氣中擺動時，能量消失到哪裡去了？為什麼在空氣中擺動要經過更長的時間才會慢下來？

當大量能量集中在一個物體上並且這個物體是處在一個多自由度的環境（水，空氣）中時，無序將會增大。物體會把它的能量分給它的環境的許許多多個彈子球。當物體和能量更小的彈子球碰撞時，是物體把能量轉移給彈子球。但是如果環境的一個或多個彈子球具有很大的能量，那麼來自環境的衝擊也可能使一個靜止的物體動起來，逐漸增大其能量。

模型實驗9-4：何時失，何時得?

六個帶字母代號的圓圈代表六個彈子球。圓上的豌豆代表彈子球的能量。取兩顆不同顏色的骰子（例如一顆白的，一顆黑的）。骰子的各個面上標的也是從A到F6個字母。同時投擲兩顆骰子！從黑骰子顯示的字母的圓中取出一顆豌豆，放到白骰子顯示的字母的圓中。每次投擲后隨機產生的字母代表在無規碰撞中一個彈子球把能量轉移給另一個。（沒有豌豆的圓給不出豌豆了。如果黑骰子選擇這個圓，那麼認為這次"碰撞"無效，這時必須重投一次。）選擇圖中所示的幾種初始分佈，觀察第一次投擲發生什麼情況。在哪種初始分佈下A圓丟失豆子的概率大？哪種初始分佈下從A圓取走豆子的概率較小?

在一個平靜的環境里，集中在一個物體的很少幾個自由度上的能量會耗散到環境的許多組分的自由度上。集中的能量的耗散增大了無序，因此這個過程是不可逆的。在物體的一個或兩個自由度上實際上已沒有什麼能量留下。物體的末態將是能量最小的狀態。這就是能量極小原理。它只不過是第二定律應用於一個處於平靜環境中的物體的結果。環境的自由度數越多，越平靜，就越能應用這條原理。

在日常生活中你體驗到由摩擦和阻力引起的擺幅的減小。以不變的速度水平運動的飛機、火車、汽車、船舶必須消耗燃料。這是用來補償消耗到環境中的能量。

問題

1．舉出一些在時間中反過來運行會顯得荒唐的現象。再舉出一些也能反向發生的過程。一個過程反向發生和它正常發生的方式真正完全相同嗎？

2．當1kg冰從水凍結而成時，它給予環境334KJ能量，這個能量耗散到環境中。這個現象能夠用能量極小原理來理解嗎？能夠用第二定律理解嗎？

3．冰在廚房裡融化。你是願意用第二定律還是願意用能量極小原理來解釋這個現象？

4．風使得擺擺動。在風中空氣具有許多個自由度，而擺只有很少幾個自由度。但增加的仍是擺的能量。這個經驗同能量極小原理矛盾嗎？你怎樣理解平靜的環境？