熵增，即热力学第二定律，揭示了自然过程的方向性，核心在于指出了一切与热现象有关的宏观自发过程都是不可逆的，它们具有特定的方向性。
例如：
• 热量总是自发地从高温物体传向低温物体，而不是反过来。
• 一滴墨水滴入清水会自发地扩散开来，但你不会看到已经混合的墨水自发地重新凝聚成一滴。
• 你可以通过摩擦（做功）让一块木头变热（内能增加），但你无法让一块温暖的木头自发地冷却并把释放的热量完全变回推动物体的机械功。
这种方向性，意味着宇宙的“无序度”总是在增加。
熵与熵增原理
为了更定量地描述这种方向性，物理学家引入了“熵”的概念。
熵 ：是衡量系统无序度或混乱度的物理量。系统越混乱、越无序，其熵值就越大。
数学理解：玻尔兹曼给出了熵的统计解释：S = k lnΩ。其中 Ω 代表系统内微观状态的数量（即分子排列方式的可能性）。Ω 越大，系统越无序，熵 S 就越大。所以，自发过程总是向微观状态数更多（即更混乱、更可能）的状态进行。
在孤立系统中，一切自发过程总是沿着熵增加的方向进行，即 ΔS ≥ 0。
◦ ΔS = 0：表示系统进行了可逆过程（理想化的，无限缓慢的过程）。
◦ ΔS > 0：表示系统进行了不可逆过程（一切实际过程）。
这意味着，一个孤立系统总是自发地趋向于越来越无序的状态（熵增），最终达到熵最大的平衡状态。
**熵增原理是针对孤立系统（与外界既无物质也无能量交换）的。对于一个开放系统，可以通过与外界交换能量或物质来使自身的熵减少（从而变得有序），但这必然会导致外界环境的熵产生更大的增加。宇宙的总熵总是在增加的。
定律的微观统计解释
从分子动理论的角度看，热力学第二定律是一个统计规律。
• 一切自然过程总是沿着分子运动更加无序的方向进行。
• 例如，功变热的过程是宏观规则运动的能量转变为分子无规则运动能量的过程；而气体自由膨胀是分子从有序到无序度更高的状态变化。
• 熵增原理的微观本质是：孤立系统总是从概率小的状态向概率大的状态过渡。高度有序的状态对应概率小的状态，混乱无序的状态对应概率大的状态。
熵增定律对人类认识自然的意义
1. 揭示了能量的“品质”：热力学第一定律告诉我们能量在数量上守恒，而第二定律告诉我们能量在“品质”上会贬值。机械能、电能等（有序能量）可以完全转化为内能（无序能量），但反过来却不行。能量转化过程中，虽然总量不变，但越来越多能量变得无法被利用来做功。
2. “热寂说”与宇宙的未来：有人曾将宇宙视为一个巨大的孤立系统，推测宇宙最终会达到一个熵最大、温度处处相同的热平衡状态，一切宏观变化都将停止，这就是“热寂说”。
以负熵为生
为了更直观地理解生命系统如何通过“输入负熵、输出正熵”来维持其内在有序，下面这个表格展示了其过程：
生命体是典型的耗散结构，这是理解生命如何维持有序的关键概念。该理论由伊利亚·普里高津提出，其核心要点包括：
1. 开放系统：生命体不是孤立系统，它不断与外界环境进行物质和能量的交换。
2. 远离平衡态：生命体通过新陈代谢等过程，始终维持在一个动态的、非平衡的状态。平衡态意味着死亡和静止。
3. 非线性相互作用：生命体内的各种生化反应和调节机制之间存在复杂的相互作用。
4. 通过涨落达到有序：系统内部的随机波动（涨落）在达到一定条件下，可以被放大，从而使系统跃迁到一个新的、更有序的状态。
正是通过这些特性，生命体成功地“欺骗”了熵增定律，在局部创造了令人惊叹的秩序。
这种对抗熵增的过程体现在生命活动的方方面面：
• 细胞层面：细胞膜主动运输物质（如摄取葡萄糖、排出废物），细胞内不断合成高度有序的生物大分子（如蛋白质、核酸）。
• 个体层面：我们通过进食获取低熵的营养物质，通过呼吸摄入氧气，并通过排泄和呼吸排出高熵的废物和二氧化碳。学习和记忆也是大脑进行信息整理、降低神经活动“混乱度”的过程。
代价与极限
然而，生命对抗熵增并非没有代价和极限：
• 环境熵增：生命体维持自身内部有序的过程，始终以加速外界环境的熵增为代价。我们消耗食物、产生垃圾和废热，都使得地球环境的整体无序度增加。
• 衰老与死亡：从某种意义上说，衰老是熵增最终在生命体中占据上风的表现。当维持内部有序的能力逐渐下降，无法有效对抗无序度的自然增加时，系统便会走向崩溃，即死亡。
熵增原理并没有在生命系统上失效，相反生命系统的存在和演化完美地印证了熵增原理的普适性。
生命并没有违背物理定律，而是以一种极其巧妙的方式——通过成为开放的系统，持续从环境汲取负熵并向环境排出正熵——在宇宙走向无序的洪流中， 局部地建立并维持了有序与复杂。生命，正如薛定谔所说，“以负熵为生”。
