Does Universe contradicts the 2nd law of thermal dynamics?

大黃傻貓GARFIELD
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文章 大黃傻貓GARFIELD » 週一 04 11月, 2013 22:05

鄧登凳 寫:Don't even require quantum theory to predict temperature fluctuation.

If all particles in a system have energy level exactly the same with each other, there is one and only one way to distribute the energy. While particles all have different energy levels, there are many many more ways to distribute energy. So in statistical thermodynamics, it is predicted that particles in a "system" will have different energy levels with one and other. This varied temperature represents increase in entropy. The distribution of energy/temperature should follow the Maxwell-Boltzmann distribution (see http://ibchem.com/IB/ibnotes/full/sta_h ... tzmann.htm).
Statistic is a way of looking at it. But since the question was asked from the Big Bang, so Quantum Theory is mentioned...

akltsang
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文章 akltsang » 週一 04 11月, 2013 22:12

鄧登凳 寫:
一般人一定認為有工整的結晶體出現, 由於形狀是十分有秩序的, 因此系統是增加了"有序性"。這個說法問題不大, 但當你一將一般人觀感上的"有秩序"和熱動力學第二定律等同起來, 就是嚴重的問題。

熱動力學的統計熱力學解說, "有序"和"無序"只關係一件事情, 就是能量有多少可以分佈的方式數量...

重點是, 不能用觀感上的有序來討論熱動力學, 而要用能量可能分佈的方式數量來考慮。

順便一說:
...
2. 將一個模型合併起來或分散放置, 不會改變這個模型物質的能量可分佈方式數量, 即不會引來熵的變化。由於沒有熵的變化, 第二定律完全不適用。
第二定律和物體的安排方式有關,這不是我的個人觀點,請看看Stephan Hawkings 的 A brief history of time, Chapter 9 (節録如下):

I shall discuss first the thermodynamic arrow of time. The second law of thermodynamics results from the fact that there are always many more disordered states than there are ordered ones. For example, consider the pieces of a jigsaw in a box. There is one, and. only one, arrangement in which the pieces make a complete picture. On the other hand, there are a very large number of arrangements in which the pieces are disordered and don’t make a picture.

Suppose a system starts out in one of the small number of ordered states. As time goes by, the system will evolve according to the laws of science and its state will change. At a later time, it is more probable that the system will be in a disordered state than in an ordered one because there are more disordered states. Thus disorder will tend to increase with time if the system obeys an initial condition of high order.

Suppose the pieces of the jigsaw start off in a box in the ordered arrangement in which they form a picture. If you shake the box, the pieces will take up another arrangement. This will probably be a disordered arrangement in which the pieces don’t form a proper picture, simply because there are so many more disordered arrangements. Some groups of pieces may still form parts of the picture, but the more you shake the box, the more likely it is that these groups will get broken up and the pieces will be in a completely jumbled state in which they don’t form any sort of picture. So the disorder of the pieces will probably increase with time if the pieces obey the initial condition that they start off in a condition of high order.
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akltsang
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文章 akltsang » 週一 04 11月, 2013 22:17

鄧登凳 寫: I have indicated that it is thermally isolated. I can assure you that you get crystals putting the solution in a vacuum flask with no heat gain or lost. In reality, the solution heats up when ionic crystals are formed. See discussion above.

PS. Equalibrium is reached when the solubility increase that comes with the increasing temperature makes the solution a saturated one instead of a supersaturated one.
In any lab on earth, there is no such thing called "perfect thermal isolation". The solution will dissepate heat slowly. The only way to keep the temperature of solution constant, one can only slightly heat up the container to compensate the heat lost. In that case, the crystals will not be formed simultaneously.

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Re: Does Universe contradicts the 2nd law of thermal dynamic

文章 akltsang » 週一 04 11月, 2013 22:25

大黃傻貓GARFIELD 寫: The forming of hydrogen atoms/matters/stars and galaxies does not contradict the second law of thermal dynamics, because in all cases, there is no net energy input to this universe from "outside" at all.
Theoretical physicists as well as astrophysicists have calculated the net amount of energy in the universe is ZERO.
Consider my example of two glasses of warm water. If one eventually becomes hot and one becomes cool, there is no energy input from outside the system. However, this situation contradicts the second law and so it is impossible.

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文章 鄧登凳 » 週一 04 11月, 2013 22:28

請留意Hawkings是討論或然率問題, 完全沒有提及能量分佈或熱動力學第二定律。

熱動力學的一種理解是統計熱動力學, 所用的或然率和Hawkings所用的一樣, 但統計熱動力學的範疇只針對能量可分佈方式, 不涉其他。Hawkings例子中的併圖, 砌好或混亂都不涉及能量分佈, 兩者的熵是一樣的, 第二定律不適用。

溶液中的硫酸銅(II)離子, 結成結晶, 涉及能量變化, 因此涉及能量分佈方式的數量, 第二定律會正確地預測這個系統的走向, 自然地結出秩序井然的結晶。

ps: 物理學中不是所有涉及或然率的問題都是熱動力學的問題。

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文章 鄧登凳 » 週一 04 11月, 2013 22:30

akltsang 寫:In any lab on earth, there is no such thing called "perfect thermal isolation". The solution will dissepate heat slowly. The only way to keep the temperature of solution constant, one can only slightly heat up the container to compensate the heat lost. In that case, the crystals will not be formed simultaneously.
So far as the amount of solute is above the limit of solubility crystal will be formed.

It is the definition of supersaturation. :D

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Re: Does Universe contradicts the 2nd law of thermal dynamic

文章 鄧登凳 » 週一 04 11月, 2013 22:38

akltsang 寫:
Consider my example of two glasses of warm water. If one eventually becomes hot and one becomes cool, there is no energy input from outside the system. However, this situation contradicts the second law and so it is impossible.
Simple, here is the prediction of statistical thermodynamics using the second law.

1. All parts (no matter how small is each part) all have the same temperature. There is only one energy distribution way. The probability of having such a distribution among billions fo billion distributions is virtually zero.

2. A well defined part A and a well defined part B has different temperature with each other but the temperature is the same within each part. Theoretically it is possible to have such a distribution, but the probability is extremely low. i.e. virtually no chance to have such a situation.

3. Ill defined parts all have different temperatures from one another. These parts changes all the time. The temperature distribution follow the Maxwell-Boltmann distribution, which is based on maximum probability.

Your arguement: because (2) is improbable, so (1) must be the only possible situation.

In reality, only (3) is the likely (or even possible) outcome (because the probability is very high).
最後由 鄧登凳 於 週一 04 11月, 2013 23:05 編輯,總共編輯了 2 次。

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文章 akltsang » 週一 04 11月, 2013 22:39

鄧登凳 寫:請留意Hawkings是討論或然率問題, 完全沒有提及能量分佈或熱動力學第二定律。

熱動力學的一種理解是統計熱動力學, 所用的或然率和Hawkings所用的一樣, 但統計熱動力學的範疇只針對能量可分佈方式, 不涉其他。Hawkings例子中的併圖, 砌好或混亂都不涉及能量分佈, 兩者的熵是一樣的, 第二定律不適用。

溶液中的硫酸銅(II)離子, 結成結晶, 涉及能量變化, 因此涉及能量分佈方式的數量, 第二定律會正確地預測這個系統的走向, 自然地結出秩序井然的結晶。

ps: 物理學中不是所有涉及或然率的問題都是熱動力學的問題。
明白你的觀點。你的意思是由氣體變成星體,entropy可以不變。
我的觀點正好相反。我不是專家,所以想請專家解答。從網上找到一些資料,可以支持我的看法,請看看:

http://www.madsci.org/posts/archives/19 ... .As.r.html

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文章 鄧登凳 » 週一 04 11月, 2013 22:52

akltsang 寫: 明白你的觀點。你的意思是由氣體變成星體,entropy可以不變。
我的觀點正好相反。我不是專家,所以想請專家解答。從網上找到一些資料,可以支持我的看法,請看看:

http://www.madsci.org/posts/archives/19 ... .As.r.html
那才不是我的觀點, 硫酸銅(II)結晶過程, 熵當然有變化, 單看結晶的部份, 熵是下降的, 但仍會結晶, 是整個系統的熵增加使然。 星體都是一樣: 你引的文指
...the material of which the forming star is composed undergoes a large decrease in entropy during the formation process, and the rest of the universe (since total entropy must never decrease) endures an even larger increase ...
簡單來說, 星體形成是放熱的過程, 宇宙中整體的熱量多了, 熵自然增加。

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文章 akltsang » 週一 04 11月, 2013 23:05

I think I find the answer to my original question. The secret lies in the expansion of the universe. When it expands quickly, the evenness of the distribution of gases will be destroyed. So the maximum allowable entropy of the whole universe increased.

Please take a look here:
http://machineslikeus.com/news/big-bang ... modynamics

So the conclusion is: the birth of the universe does not violate the second law of thermo dynamics.

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文章 鄧登凳 » 週一 04 11月, 2013 23:27

大黃傻貓GARFIELD 寫:Statistic is a way of looking at it. But since the question was asked from the Big Bang, so Quantum Theory is mentioned...
Actually, quantum fluctuation is needed to deal with the big bang issue as the universe is expanding so fast at that time so that interaction of particles to reach the Maxwell-Botzmann distribution is unlikely.

I am not saying using quantum theory is not correct. I am just saying that the second law of thermodynamic never suggests a uniform temperature.
akltsang 寫:I think I find the answer to my original question. The secret lies in the expansion of the universe. When it expands quickly, the evenness of the distribution of gases will be destroyed. So the maximum allowable entropy of the whole universe increased.

Please take a look here:
http://machineslikeus.com/news/big-bang ... modynamics

So the conclusion is: the birth of the universe does not violate the second law of thermo dynamics.
The web page you quote is in itself full of problems.

Uneven temperature never requires fast expansion and there is no reason why fast expansion creates temperature variation.

"Pocket of order" is not a thermodynamic concept.

The worst one is alluding that a drawer of orderly socks has lower entropy than a chaotic one. Definitely a misconception of entropy. The claim implies that, the neatly organised drawer can do some useful work in the process of becoming the untidy drawer. By definition, entropy is a measure of the degree to which energy has lost the capacity to perform useful work. Saying that neat drawer has lower entropy means there are less unusable energy in it -- given the total energy is the same, the claim is saying that the neat drawer contains more usable energy! Absolutely nonsense! It is exactly this sort of misconceptions that started your problem.

The one you quoted earlier (from mad science) is much clearer to tell why forming of stars represents entropy increase in the total system :D

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文章 WFPC2 » 週五 08 11月, 2013 01:36

akltsang 寫:讓我把思路整理一下:

熱力學第二定律指出,任何封閉系統中,熵只會隨時間增加,不會減少。熵是量度無序的量,所以此定律意思為,任何封閉系統中,物體只會由有序趨向無序。這定律不只在熱力學適用,在其他方面亦適用。例如,一塊石頭最終只會變成一堆沙,你永不會見到一堆沙,自己最終變成一塊石頭。有關此定律的詳情,可看wikipedia.

牛頓的故事表明,一堆雜亂無章的材料 (無序的),不可能自然變成模型 (有序的)。要變成模型,便要人的參與,即原本的材料不是封閉系統。否則這個過程違反第二定律。

同理,我門生存的太陽系,形成前不可能是封閉系統 (即不可能是一堆和其他所有東西完全分離的氣體)自然形成,否則便像牛頓的模型那樣,違反第二定


但作為負載所有萬物的宇宙,本身便應該是封閉系統(宇宙的定義就是這樣)。那為什麼在大爆炸之後,本來是一堆混沌的氣體 (無序的),會續步變成星體 (有序的)?

我只想到三個可能:
(a)宇宙不是封閉的。但宇宙之外有什麼?神?
(b)原初宇宙的混沌狀態,比現在的狀態裝更有序 。但我不明白這點的道理。
(c)第二定律對宇宙整體不適用。
(a)熱力學指的封閉系統指整宇宙,但我們今天所定義宇宙有指可觀察的宇宙或, 整體的存在一 物理學也主張可見的宇宙並不是唯一的宇宙,可見的宇宙和我們所屬的宇宙也可能受我們不可見的世界影響,使宇宙不能成為一個真正的封閉系統。即使我們把封閉系統定為所有的宇宙一多重宇宙,在眾多的宇宙生生滅滅之間,也難以確保這個多重宇宙的行為不會違反熱力學第二定律。

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文章 WFPC2 » 週六 09 11月, 2013 12:02

WFPC2 寫:
akltsang 寫:讓我把思路整理一下:

熱力學第二定律指出,任何封閉系統中,熵只會隨時間增加,不會減少。熵是量度無序的量,所以此定律意思為,任何封閉系統中,物體只會由有序趨向無序。這定律不只在熱力學適用,在其他方面亦適用。例如,一塊石頭最終只會變成一堆沙,你永不會見到一堆沙,自己最終變成一塊石頭。有關此定律的詳情,可看wikipedia.

牛頓的故事表明,一堆雜亂無章的材料 (無序的),不可能自然變成模型 (有序的)。要變成模型,便要人的參與,即原本的材料不是封閉系統。否則這個過程違反第二定律。

同理,我門生存的太陽系,形成前不可能是封閉系統 (即不可能是一堆和其他所有東西完全分離的氣體)自然形成,否則便像牛頓的模型那樣,違反第二定


但作為負載所有萬物的宇宙,本身便應該是封閉系統(宇宙的定義就是這樣)。那為什麼在大爆炸之後,本來是一堆混沌的氣體 (無序的),會續步變成星體 (有序的)?

我只想到三個可能:
(a)宇宙不是封閉的。但宇宙之外有什麼?神?
(b)原初宇宙的混沌狀態,比現在的狀態裝更有序 。但我不明白這點的道理。
(c)第二定律對宇宙整體不適用。
(a)熱力學指的封閉系統指整宇宙,但我們今天所定義宇宙有指可觀察的宇宙或, 整體的存在一 物理學也主張可見的宇宙並不是唯一的宇宙,可見的宇宙和我們所屬的宇宙也可能受我們不可見的世界影響,使宇宙不能成為一個真正的封閉系統。即使我們把封閉系統定為所有的宇宙一多重宇宙,在眾多的宇宙生生滅滅之間,也難以確保這個多重宇宙的行為不會違反熱力學第二定律。
(b)我想熱力學第二定律或許不谪用於早期的宇宙,直到第一代的恒星形成之後,宇宙的熵值的增加開始多於減少,因為恆星開始向太空輻射熱,令宇宙增加了愈來愈多的熵,直一到宇宙的總熵的增加多於重力崩塌引致的減少。

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文章 WFPC2 » 週六 09 11月, 2013 12:03

WFPC2 寫:
akltsang 寫:讓我把思路整理一下:

熱力學第二定律指出,任何封閉系統中,熵只會隨時間增加,不會減少。熵是量度無序的量,所以此定律意思為,任何封閉系統中,物體只會由有序趨向無序。這定律不只在熱力學適用,在其他方面亦適用。例如,一塊石頭最終只會變成一堆沙,你永不會見到一堆沙,自己最終變成一塊石頭。有關此定律的詳情,可看wikipedia.

牛頓的故事表明,一堆雜亂無章的材料 (無序的),不可能自然變成模型 (有序的)。要變成模型,便要人的參與,即原本的材料不是封閉系統。否則這個過程違反第二定律。

同理,我門生存的太陽系,形成前不可能是封閉系統 (即不可能是一堆和其他所有東西完全分離的氣體)自然形成,否則便像牛頓的模型那樣,違反第二定


但作為負載所有萬物的宇宙,本身便應該是封閉系統(宇宙的定義就是這樣)。那為什麼在大爆炸之後,本來是一堆混沌的氣體 (無序的),會續步變成星體 (有序的)?

我只想到三個可能:
(a)宇宙不是封閉的。但宇宙之外有什麼?神?
(b)原初宇宙的混沌狀態,比現在的狀態裝更有序 。但我不明白這點的道理。
(c)第二定律對宇宙整體不適用。
(a)熱力學指的封閉系統指整宇宙,但我們今天所定義宇宙有指可觀察的宇宙或, 整體的存在一 物理學也主張可見的宇宙並不是唯一的宇宙,可見的宇宙和我們所屬的宇宙也可能受我們不可見的世界影響,使宇宙不能成為一個真正的封閉系統。即使我們把封閉系統定為所有的宇宙一多重宇宙,在眾多的宇宙生生滅滅之間,也難以確保這個多重宇宙的行為不會違反熱力學第二定律。
(b)我想熱力學第二定律或許不谪用於早期的宇宙,直到第一代的恒星形成之後,宇宙的熵值的增加開始多於減少,因為恆星開始向太空輻射熱,令宇宙增加了愈來愈多的熵,直一到宇宙的總熵的增加多於重力崩塌引致的減少,熱力學第二定律開始成立。

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文章 WFPC2 » 週五 15 11月, 2013 13:44

WFPC2 寫:
WFPC2 寫:
akltsang 寫:讓我把思路整理一下:

熱力學第二定律指出,任何封閉系統中,熵只會隨時間增加,不會減少。熵是量度無序的量,所以此定律意思為,任何封閉系統中,物體只會由有序趨向無序。這定律不只在熱力學適用,在其他方面亦適用。例如,一塊石頭最終只會變成一堆沙,你永不會見到一堆沙,自己最終變成一塊石頭。有關此定律的詳情,可看wikipedia.

牛頓的故事表明,一堆雜亂無章的材料 (無序的),不可能自然變成模型 (有序的)。要變成模型,便要人的參與,即原本的材料不是封閉系統。否則這個過程違反第二定律。

同理,我門生存的太陽系,形成前不可能是封閉系統 (即不可能是一堆和其他所有東西完全分離的氣體)自然形成,否則便像牛頓的模型那樣,違反第二定


但作為負載所有萬物的宇宙,本身便應該是封閉系統(宇宙的定義就是這樣)。那為什麼在大一爆炸之後,本來是一堆混沌的氣體 (無序的),會續步變成星體 (有序的)?

我只想到三個可能:
(a)宇宙不是封閉的。但宇宙之外有什麼?神?
(b)原初宇宙的混沌狀態,比現在的狀態裝更有序 。但我不明白這點的道理。
(c)第二定律對宇宙整體不適用。
(a)熱力學指的封閉系統指整宇宙,但我們今天所定義宇宙有指可觀察的宇宙或, 整體的存在一 物理學也主張可見的宇宙並不是唯一的宇宙,可見的宇宙和我們所屬的宇宙也可能受我們不可見的世界影響,使宇宙不能成為一個真正的封閉系統。即使我們把封閉系統定為所有的宇宙一多重宇宙,在眾多的宇宙生生滅滅之間,也難以確保這個多重宇宙的行為不會違反熱力學第二定律。
(b)我想熱力學第二定律或許不谪用於早期的宇宙,直到第一代的恒星形成之後,宇宙的熵值的增加開始多於減少,因為恆星開始向太空輻射熱,令宇宙增加了愈來愈多的熵,直一到宇宙的總熵的增加多於重力崩塌引致的減少,熱力學第二定律開始成立。
除了在宇宙未形成恒星的時候,在普朗克時期10的負43次方秒的極早期宇宙,或者在黑洞裡的奇異點,時空是極端彎曲的並可能處於量子不確定的狀態,令熱力學定律完全失去意義,因為失去了明確的時間箭頭。

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