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所谓热力学第二定律是指热能会自发的从温度高的地方传递至温度低的地方,最终达到平衡。该定律反映了自然界在能量流动方面的一种现象。其实,该定律背后还隐含着三层意思,详情如下所述:
为了便于理解,我们假想这样一个实验。将热水倒入一只普通的杯子发现,热能会经水杯流入环境(此处忽略经空气传递的热能),在此,我们将水杯称之为能量(热能)传递介体。现在,我们将水杯换成这样一个水杯,其一半材料是木质的,一半材料是铁质的,众所周知,铁的导热性要相比木头更好。当再次向这个水杯倒入热水时,不难发现:
1)从铁质一侧流出的热能要比从木质一侧流出的更多;
2)热能会同时从木质一侧和铁质一侧流向环境。
这两种现象说明了什么?
第一种现象说明,当多种热能传递介体同时存在时,热能传递能力相对较强的介体介导传递的能量要多于热能传递能力相对较弱的介体。
第二种现象说明,热水中的热能不但需要传递至环境中,还需要以当前环境中最高效的能量传递方式释放其能量(因为能用的介体全用了)。
为了便于说明,我们将需要释放热能的物质,称为热能供体。透过第一点可以发现,热能供体对热能传递介体具有选择性。热能传递能力越强的介体,其介导传递的热能就越多,反之,越少。透过第二点不难发现,热能供体不但有释放热能的需求,还需要尽可能高效的(尽快的)实现其热能与周边环境的相对平衡。
此外,在介导热能传递过程中,有些介体还会利用这些热能来提升自身热能传递能力。例如,在炼铁过程中,热能传递能力相对较弱的铁矿石转变了热能传递能力相对更强的金属铁。这说明,热能供体的上述两种属性,即对能量传递介体的选择性和尽可能高效释放自身能量的需求性,驱动了热能传递能力相对更强的能量传递介体的出现,即能量传递介体的进化。
综上所述,热力学第二定律背后还隐含着三层意思是:
1)能量供体对能量传递介体具有选择性(自然选择在非生命系统也存在);
2)能量供体具有尽可能高效释放自身能量的需求性;
3)有些能量传递介体具有可进化性(进化在非生命系统也存在)。
接下来我们探讨这样一个问题,照射到特定区域的光会不会同时又照射到或者流动到其它地方?例如,照在一片树叶上的光会不会同时照射到另一片树叶,或者沿着大树的枝干流动到根?
答案是否定的。
这个现象说明,光的流动(或传播)具有定域性。相比较而言,只要特定区域之间存在温度差,那么热能就会自发的从温度高的地方传播至温度低的地方(假设存在热能传递介体)。由此可见,一般情况下,热能在自然界中的流动性要比光能相对更强。同样,对于储存在化合物中的化学能更是如此,如果没有相应的化学能传递介体,那么,储存在化合物中的化学能只能通过化合物自身的衰变释放能量,能量释放过程也会相对更加漫长。
综上所述,作者认为,自然界不仅需要能量平衡,还需要尽快的实现能量平衡,因而具有将难以流动和释放的能量转化为热能的需求,该需求是自然界对能量平衡需求的结果,这一结果驱动了将其它能量转化为热能的能量传递介体的出现,也驱动了在这个转化过程中能量传递能力相对更强的能量传递介体的出现。
能流进化论基于所有细胞生物都离不开食物(还原性的能量供体)和接收电子传递链上传递的电子的氧化物(氧化性的能量受体)认为,生命体是非生命态的能量传递介体的能量传递能力一步步升级(进化)的结果。这里的非生命态的能量传递介体所具有的属性便是其能量传递能力可塑强。
由此也可以进一步推知,生命体与非生命体的区别在于,生命体是一团可以利用所介导能量来维持、延续和提升自身能量传递能力的系统,而非生命体则不具有这种能力。生物化学上讲,生命体与非生命体的区别在于新陈代谢,新陈代谢是由一系列生物化学反应组成,我认为,生物化学反应与非生物化学反应的区别在于能否利用能量来维持和延续反应的进行。
综上所述,如果所有的能量传递介体都不具有能量传递能力可提升的属性,那么生命不可能出现;如果自然界不存在对能量传递能力的需求,那么能量传递介体的能量传递能力再怎么具有可塑性也不可能演变成生命体。因此,生命是自然界对相对更强的能量传递能力的需求与能量传递能力具有可提升属性的能量传递介体相统一的结果。详情可见《隐藏的动力:生物在自然界中的价值》一书。
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GMT+8, 2025-12-5 18:27
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