普通化学/热力学/热力学第二定律
热力学第二定律基于我们人类的普遍经验。它不是从复杂的装置或理论开始的，而是从思考老式蒸汽机是如何工作的开始，第一个重要的方程看起来非常简单：就是q/T。
然而，第二定律可能是我们理解世界如何运作的最强大工具，无论是简单的方式还是复杂的方式：为什么热的锅会冷却，为什么乒乓球掉下来时不会永远反弹，为什么汽油（加上空气中的氧气）会让发动机运转，为什么我们的“发动机”——我们的身体——会运转，我们继续生存，即使在寒冷的时候，我们的身体也会保持温暖，但这也是为什么当我们体内的一些化学反应失败时，我们会死亡。事实上，第二定律有助于解释发生在我们物理世界中的所有事情。在化学中，它尤其重要，因为它可以告诉我们我们在纸上写下的任何化学反应是否可能自发进行，并按照我们的写法进行。
不幸的是，近一个半世纪以来，第二定律一直被专家以初学者无法理解的方式表达，除非他们有大量额外的解释。以下是 25 种最突出的解释中仅有的三种。
- "宇宙的熵趋向于最大值"（克劳修斯）
- "不可能以任何方式减少一个物体系统的熵，而不留下其他物体上的变化"（普朗克）
- "在任何不可逆过程，所有相关物体的总熵都增加。"（路易斯）
熵、熵、熵！但什么是熵？即使是一些教科书仍然说类似“不要问如何理解它。只要解决包含熵的题目，你就会逐渐理解它，因为你能够运用它”！这是旧方法，幸运的是，现在大多数美国普通化学教科书已经放弃了这种方法。（参见这里的列表）。21 世纪的好消息是，现在熵可以被描述为一个简单的想法（无论在高级课程和研究中计算和处理有多复杂）。由于我们新的概念方法，第二定律的基本版本可以很容易地理解。
 | "所有类型的能量从局域化变为分散或扩散，如果它没有受到阻碍。熵变是这种自发过程的定量度量：有多少能量流动，或者它在特定温度下扩散了多少。"参见这里。 |
那“所有类型的能量”和“变得分散”是什么意思？首先让我们想想光（从技术上来说是电磁辐射）。灯泡发出的辐射会留在灯泡的玻璃内部吗？当然不会。它会尽可能地扩散出去，只有灰尘或空气密度差异才会阻碍它扩散到几英里甚至更远的地方。立体声扬声器发出的声音怎么样——它会留在宿舍或汽车内部吗？它会扩散到比其他想听的人更远的地方，通常都是这样！一辆快速行驶的汽车如果撞上一堵砖墙，它的动能会怎样？它会以撞击声、扭曲的金属和加热金属以及将墙上的砖块撕裂而四处飞散，比之前略微热一些。这些只是不同类型能量以及它们变得分散或扩散的一些方式的例子。
| 所有类型的能量都会分散......如果它没有受到阻碍。 |
在化学中，我们最感兴趣的能量类型是分子的动能，即分子运动能。我们从分子动理论中得知，如果分子的温度高于 0 K，它们就会不断运动。在像氮气和氧气这样的气体中，它们在 298 K 的平均速度为每小时一千英里（1600 公里），在撞击另一个分子之前会移动约 200 倍其直径 [需要引用]。液体中的分子可能以近似相同的速度运动，即使它们不断地相互碰撞，并且它们会在这里和那里移动一点。在固体中，粒子、分子或原子或离子只能“在一个地方跳舞”（与固体中的其他粒子协调振动）。这是一种振动动能，等同于气体或液体在相同温度下的运动能。
分子的动能由其平移、旋转和振动组成（图 1 这里）。注意，这种振动是指分子内部的振动，就好像原子之间的化学键就像弹簧一样。我们刚才提到的晶体中的振动是指整个分子或其他粒子在一个位置上的振动，并与晶体中的其他分子协调一致。
让我们看看第二定律如何帮助我们更好地理解我们的日常经验，看看为什么那么多完全不同的事件实际上只是能量分散或扩散的例子，即第二定律的体现。如果你将一块石头举起来再放开，它会掉下来。从炉子上取下的热煎锅会冷却下来。铁在空气中生锈（氧化）。轮胎内的空气处于高压状态，即使是通过一个小孔也会喷射到低压的大气中。冰块在温暖的房间里融化。
当你将一块石头举到地面以上时，它在石头中具有局部化的势能（PE）。石头是系统；它遇到的所有其他事物都是环境。掉落石头，它的PE会转化为动能（运动能量，KE），在石头下落时将空气推开（因此将石头的KE分散了一点），然后撞击地面，分散了一点声音能量（压缩空气）并导致它撞击的地面和石头本身的轻微加热（分子运动能量）。石头没有改变（一分钟后，它将少量热量分散到空气中，这些热量来自撞击地面）。但是，你通过举起石头而将肌肉局部化的势能现在已经完全扩散并分散到周围的一点空气运动和地面的一点加热中。
热的煎锅？房间（环境）中热煎锅（系统）中的铁原子振动得非常快，就像“原地快速跳舞”。因此，考虑到煎锅和房间，热煎锅中的动能是局部化的。根据第二定律，如果这种动能没有受到阻碍，它就会扩散。每当房间中较冷的空气中较慢移动的分子撞击热煎锅时，快速振动的铁原子就会将一部分能量传递给空气分子。因此，煎锅的局部能量会变得分散，更广泛地扩散到房间空气中的分子。
在像铁生锈这样的化学反应中，即铁与氧气反应生成氧化铁（锈），反应物铁和氧气不需要处于高温才能在其中局部化能量。铁原子（如-Fe-Fe-Fe-）加上空气中的氧分子（O-O）在它们的键中局部化的能量比它们反应的产物氧化铁（氧化铁）的键中局部化的能量要多。
这就是铁与氧气反应的原因——从它们结合的更高能量键中释放能量，并形成氧化铁中更低能量的键。然后，所有这些能量差异都将作为热分散到周围环境中，即反应是放热的，并使周围环境中的分子运动得更快。但请记住化学反应是如何发生的！请记住，断开键需要能量，因此要启动任何反应，必须以某种方式提供一些额外的能量，即活化能，以断开反应物中的一种或多种键。（有关活化能的信息，请参阅这里）。然后，如果产物中形成的键比反应物中断裂的键强得多，则能量差异（通常会导致所有分子的运动能量增加）可以反馈并断裂反应物中的更多键。
然而，在铁在正常室温（约 298 K）下与氧气反应的情况下，该过程非常缓慢，因为只有少数氧原子运动异常快，并且以正确的方式撞击铁，因此 Fe-Fe 键和 O-O 键断裂，并且 Fe-O 键可以形成。附近的铁原子中没有足够的热量（运动能量），也没有其他异常快速移动的氧分子。这是一个缓慢的过程，取决于周围环境中少量快速移动的氧原子发生碰撞才能实现。
因此，即使在潮湿的空气中（这会加速产生氧化铁的另一个过程），铁也不会与氧气快速反应，但它会稳步进行反应，并且随着时间的推移，铁原子和氧分子都会将它们键能的一部分扩散到周围环境中，这些键能对于它们在该温度下的存在来说是不需要的。
轮胎内的空气比周围的大气压更高，因此即使是通过一个小孔也会喷射出来。这与热力学第二定律这样的重大问题有什么关系？（每个自发的物理或化学过程都涉及第二定律！）轮胎中的氮气和氧气分子都有动能，但它们在轮胎的小体积内局部化得多，压缩得多，而不是在巨大的大气体积内。因此，第二定律解释了为什么会出现漏气或爆胎：如果轮胎壁不再阻止这些局部化分子的动能分散并扩散到低压、大体积的大气中，这些分子的动能就会分散并扩散到低压、大体积的大气中。
一块冰块在一个很大的温暖房间里融化。在一个比它大 200,000 倍的温暖房间里，一块小冰块融化怎么会是第二定律的例子？这怎么可能是一种能量扩散？但是第二定律与能量分散有关，在这个系统加环境的总和中，有 200,001 分之一的部分会发生一些扩散！
| 热量自发地传递到冷处。永远。 |
当温暖的空气分子将一部分能量分散到冰块中振动（就像快速原地跳舞）的分子时，会发生很多事情。在表面附近，冰中水分子之间许多氢键会被空气分子的动能破坏，这些动能被传递到这些表面分子上。（这不会改变这些分子的动能，因此它们的温度不会改变。它们由于氢键断裂而增加了势能。）现在，由于水分子与冰中刚性结构中其他分子的氢键被破坏，它们就可以自由地与其他液态水分子形成氢键——它们可以交换配对，并从一个分子转移到另一个分子。允许它们在晶体中原地跳舞的振动能量转化为液体的平移能量，分子可以稍微移动一点。
因此，虽然真实情况略微复杂（即，平移的能级比固体振动的能级更接近，这使得能量在液体中比在固体中分散得多），但我们可以感觉到，液体水中的分子运动允许能量比结晶冰中的能量更分散，即使是在熔化温度下。这不是顺序和“无序”的问题！（这和魔术一样误导，和 1898 年的时尚一样过时。参阅这里）。
第二定律告诉我们能量分散，而熵是衡量能量分散程度的词语——能量在一个系统中是如何扩散的，与能量的局部化程度相比，它扩散了多少。这些能量变化和随之而来的熵变是理解自然界中自发事件如何以及为什么发生的重点。只有在某些情况下，物体中分子的结构或排列才能帮助我们看到能量的更大或更小的局部化（以前被称为“从有序到无序”）。
现在我们可以理解科学家在过去一个半世纪里所说的那些看似神秘的话语，比如“宇宙的熵不断增加到最大值”。他们的意思仅仅是能量无处不在，并且尽可能地散开（而这种能量的散开程度由熵来衡量）。
岩石从山上滚落，热锅在凉爽的房间里冷却，任何由铁制成的物体生锈，任何燃烧或与氧气发生反应的事物，所有这些自发发生的事件和化学反应都是由于能量的扩散或散开。熵是定量衡量一个过程或反应中能量扩散程度的指标。因此，熵不断增加，因为自发事件在我们这个富含能量的宇宙中不断发生。因此，我们可以破译第二定律的以下陈述：
“在任何不可逆过程中，所有相关物体的总熵都会增加。”
这仅仅意味着：“在任何能量散开的过程中，散开或扩散的程度（即总熵）都会增加，当你把系统中发生的事情和它周围环境中发生的事情都考虑进去时。”
现在我们可以翻译“第二定律语言”！如果快速阅读，它看起来会非常令人困惑，但逐字解读，并且了解我们刚刚回顾的内容，这些想法并不复杂。