想象一下，你有一个玻璃杯放在柜台的高处，它掉到了地板上。物理学告诉你会发生什么：你的玻璃将以特定的速度和一定的可计算动能撞击地板。这种撞击很容易导致玻璃破碎：一种能量转化为另一种形式的能量所产生的自发过程。然而，相反的过程——破碎的玻璃碎片自发地重新组装并将完全组装好的玻璃跳回柜台上——从未自发发生过。这可以用热力学定律，特别是第二定律来简单地解释。.
我们中的许多人，特别是在美国，从熵的角度学习第二定律：所有热力学系统的物理性质。第二定律可以表述为：
发动机的最大效率，
可以从系统中提取的有用工作量，
热量从热源自发流向冷源（而不是相反的过程），
或者通过系统量子态的可能相同排列的数量，
都等效且正确。然而，传统上最常见的教学方式之一是说，“封闭系统的熵永远不会增加”，但事实并非如此。孤立系统的熵永远不会增加，但孤立不同于封闭，开放仍然是第三种，甚至更不同的条件。以下是每个人都应该知道的关于熵、热力学定律和存在的不同类型的系统的知识。
如果热力学第二定律真的可以违反，那么永动机在物理上将是真实的可能性。实际上，必须始终遵守第二定律，因此我们必须小心避免在建立对物理系统的期望时出现矛盾。学分：诺曼·洛克威尔/公共领域
隔离系统
每当你考虑任何物理系统时，你总是可以考虑它的各个部分。系统内的组件以自包含的方式相互作用-就像气体分子在密封箱内飞来飞去-然后有一些组件在系统本身之外，但仍然可以以某种基本方式与系统相互作用：通常称为“环境”或类似的东西。
如果你考虑整个系统，包括感兴趣的物理系统以及周围的外部环境，这是应用热力学第二定律的理想情况。当您考虑整个系统时，您正在考虑：
所有在它的不同部分之间流动的能量，没有能量进入或离开它，
系统内相互作用的所有粒子，没有粒子进入或离开它，
系统的整体体积，相对于某些外部环境或边界不会增加或减少，
以及它的一部分在另一部分完成的所有工作，没有外部来源或工作槽。
当一切都被考虑在内，并且没有任何丢失或丢失时，您正在处理整个系统。
在传统的薛定谔猫实验中，你不知道量子衰变的结果是否已经发生，导致猫的死亡。在盒子里，猫要么是活的，要么是死的，这取决于放射性粒子是否衰变。虽然很少讨论，但薛定谔猫实验的有效性取决于系统与其环境隔离;如果隔离不完美，态叠加态的量子性质将被破坏。图片来源：达特菲尔德/维基共享资源
当然，这是一个艰巨的任务：要解释每一个亚原子粒子和每一个能量量子，不允许这个系统外部的任何东西以任何方式影响它，也不允许这个系统内部的任何东西以任何方式影响外部环境。（对于一些在该领域工作的人来说，他们注意到“宇宙”是唯一真正的整体系统，即使这样也是值得怀疑的，因为宇宙本身正在膨胀。
虽然这是一个相当理想化的情况，但我们可以考虑物理系统内某物的各个方面，并把它当作没有来自系统外部的东西——没有热量、没有功、没有能量、没有粒子等——在外部作用于该系统，此外，该系统内部的任何东西都不会影响或作用于它的外部环境。
在这种理想情况下，您可以将系统视为隔离。
在这里显示的三个系统中，只有最右边的系统可以被认为是孤立的。没有能量可以进入或离开它，无论物质进入或离开它。左边显示了一个开放的系统，其中物质和能量都可以与环境交换，中间显示了允许能量（但不是物质）交换的封闭系统。图片来源：Mayyskiyysergeyy/WikimediaCommons
如果您的隔离系统处于热平衡状态，也就是说没有
热交换或传递，
没有系统的移动边界（工作示例），
没有粒子的输入或输出，
无化学转变，
没有泵送或其他施加的力，
并且系统的任何方面都没有“低能量状态”可以过渡到，
然后，系统的总熵将保持不变，并达到最大值。否则，如果系统的某些部分
可以传递或交换热量，
可以转移或交换颗粒，
可以扩张或收缩，
可以发生化学转变，
可以在系统的另一部分泵送或施加内力，
和/或可以经历向低能量状态的转变，
然后，系统的总熵将随着时间的推移而增加。
这总是正确的，也是热力学第二定律的核心：孤立系统的熵总是趋向于最大值，并且只有在达到其真正的平衡状态之后，上面提到的交换（或任何其他未在此处特别列举的此类变化，例如核跃迁）都不会发生，它的熵会停止增加吗：此后它将保持不变。
地球不是一个孤立的热力学系统，因为它不仅接收来自太阳的能量并将能量辐射回太空，而且（在小水平上）受到小行星，彗星，太阳风和宇宙粒子的影响，并且随着时间的推移将大气粒子释放到太空中。图片来源：NASA/GSFC
孤立的反面
当然，熵的无情前进是可以对抗的——破碎的玻璃可以修复，凌乱的房间可以打扫和整理，甚至温牛奶也可以冷却和保存——如果你不再有一个孤立的系统，而是一个外部影响可以影响所讨论的系统。这通常有两种形式：
一个实际物质被转移到系统或系统外，以及热量、能量和功交换，
一个不允许任何物质进入或离开系统的地方，尽管能量仍然可以传入或传出，并且允许系统物理范围的边界也发生变化。
其中第一个给你最大的自由，就是所谓的热力学开放系统。在一个开放的系统中，物质被允许进入和离开它，以及能量。在一个开放的系统中，不仅系统的墙壁被允许膨胀或收缩，而且墙壁甚至不是不可渗透的：物质可以进入或离开它。炉子上的锅是一个开放的系统，因为能量可以进入它（通过它下面的燃烧器），物质可以离开它（通过逃逸到它上面的空气中），而荷兰烤箱不是完全开放的，因为能量可以进入它（通过下面的燃烧器），但没有物质可以离开它，因为密封的顶部限制了任何加热到气相的物质。
炉子上的锅，底部代表一个开放的热力学系统，因为能量可以从下方进入系统，物质可以从上方的系统逸出。顶部的密封荷兰烤箱代表一个封闭的热力学系统，因为能量可以进入，但任何物质都可以离开。学分：JoZimny（joeyz51）/flickr
中间案例：封闭系统
这个非常狡猾：如果你不允许物质进入或离开，但你允许能量和/或工作从外部环境流入或流出系统怎么办？
这就是所谓的封闭系统：介于开放和隔离之间的中间情况。如果现在你的大脑里有什么东西在响，说“这是错的，这不是我学到的封闭系统”，那么恭喜你，你和我几周前在同一条船上。（是的，我是一名博士物理学家，在攻读博士学位时对此进行了研究。
在某些地方——主要是美国的物理课程——这是一个新的区别。以前，对于我们中的许多人来说，“封闭”与我们上面定义的“孤立”是同义词。事实上，我们中的许多人都学到了，作为热力学第二定律的简写版本，“封闭系统的熵永远不会减少。虽然孤立系统的熵确实永远不会减少，只能增加或保持不变，但封闭系统的熵可以大大减少：由于功或能量的输入，正如麦克斯韦恶魔的著名例子所说明的那样。.
这幅插图显示了房间的两面：热的和冷的，它们之间有一个恶魔，能够打开和关闭它们之间的分隔线。如果打开分配器，气体会混合;如果气体最初混合良好，那么打开和关闭隔板的恶魔可以对房间进行分类，即使是“封闭”系统。学分：约翰D.诺顿，熵，
麦克斯韦的恶魔是一个据说要考虑上述系统的想法：一个有隔板的房间。最初，房间两侧的气体是我们所说的“充分混合”，这意味着两个房间都由以下气体组成：
由分隔器两侧的相同材料组成，
在分隔器两侧的温度相同时，
在分隔器两侧的密度相同的情况下，
没有在容器壁上或容器壁上（包括隔板）进行任何工作，
并且没有能量或热传递优先发生在一个方向或另一个方向上。
但是想象一下，隔断上有一扇小门将房间的两个部分隔开，还有一个讨厌热力学第二定律的小智慧生物：一个真正的恶魔。
现在想象一下，这个恶魔能够监控粒子，包括每当粒子试图通过隔板中的门时。恶魔本身控制着门，并像这样设置它：
每当一个“冷”粒子试图从房间的右侧通过到左侧时，恶魔就会打开门，让它（而且只有它）通过，然后再关闭它。
每当一个“热”粒子试图从房间的左侧传递到右侧时，恶魔就会打开门，让它（而且只有它）通过，然后再关闭它。
在所有其他情况下，门仍然关闭。
假设我们允许恶魔随心所欲，房间里的粒子会发生什么？
麦克斯韦恶魔的表示，它可以根据盒子两侧的能量对粒子进行分类。通过打开和关闭两侧之间的分隔器，可以复杂地控制颗粒的流动，从而减少盒子内系统的熵。但是，恶魔必须发挥能量才能做到这一点，盒子+恶魔系统的整体熵仍然会增加。图片来源：Htkym/维基共享资源
答案非常清楚，是，我们最终得到的最终状态的熵要低得多：所有的冷粒子都分到分隔器的一侧，所有热粒子被分到分隔器的另一侧，彼此分离。
我们是否违反了热力学定律，降低了这个封闭系统的熵：一个不允许物质进入或离开它的系统？
不，因为我们允许能量输入系统：以恶魔打开和关闭门的形式。
事实上，你可以通过多种方式降低系统的熵，即使你的系统不是打开的，而是关闭的。您可以：
将能量输入您的系统，
在系统的边界上执行工作，
允许化学转变从系统内释放能量，
泵送系统以创建温度梯度，
并且通常，允许在系统与其外部环境之间交换能量，
并且仍然遵守热力学第二定律。诀窍是因为这里所讨论的系统只是封闭的：不是孤立的。
通过输入能量，特别是输入在封闭系统中压缩和稀有气体的功能，可以使冷储层更冷，使热源更热。这是热泵和冰箱背后的关键热力学原理，也是现代制冷至今的工作方式。学分：威廉·维吉尔·胡基尔/公共领域
封闭与隔离
这是每个人都需要知道的关键区别。在一个真正孤立的系统中，你所考虑的系统与其外部环境之间没有物质或能量的相互作用、流动或交换。在封闭系统中，对发生的交换类型有限制，但仍允许某种类型的能量交换。即使只是系统容器壁的膨胀或收缩，这仍然是与环境的相互作用，因为功（一种能量形式）是在容器壁上进行的，并且该功（能量）对正在考虑的系统的内部能量产生影响。
有助于恢复热力学第二定律的关键认识是：如果你“拓宽”你对所考虑的物理系统的看法，以便它既包括你之前研究的“封闭系统”，也包括封闭系统周围的外部环境，你现在正在考虑整个系统，这是一个孤立的系统。
换句话说，要正确核算所有熵，您需要包括（以前认为的）外部环境中也发生的熵变化。如果你这样做，那么你会发现你的总（孤立）系统的总熵永远不会减少：只会增加或保持不变，这取决于它是否处于热平衡状态。
隔离、封闭和开放热力学系统之间的区别。在一个孤立的系统中，无论物质或能量在系统与环境之间交换，熵永远不会减少。在开放系统中，两种交换都是允许的，而对于封闭系统，只能与环境交换能量，而不是物质。在封闭和开放系统的情况下，系统的熵在适当的情况下被允许减小。图片来源：格拉索·路易吉/维基共享资源
这里有两件事需要注意。一个是关于隔离、封闭和开放热力学系统之间的重要区别。作为需要更新自己词汇表的人，要知道：
隔离系统不允许与环境进行任何类型的物质或能量交换，包括系统边界上的工作引起的变化。对于孤立的系统，熵永远不会减少。
开放系统是自由的，允许系统和环境之间的物质和能量交换，并且由于允许的交换，熵原则上可以在最终状态下具有任何值。
封闭系统不允许系统与环境之间交换物质/材料，但允许能量和功跨越将系统与环境分开的边界进行交换。在适当的条件下，可以通过从环境中输入足够的能量来降低熵。（如果你也考虑外部环境与你的封闭系统，你可以把它“提升”到一个孤立的系统，熵永远不会减少。
虽然有许多开放系统在物质方面“近似”封闭（人类进食、呼吸和排泄物质，但近似封闭;行星将大气分子流失到太空，也通过来自太空的撞击接收物质，但近似封闭），但在考虑真实行为时，开放、封闭和孤立之间的区别至关重要，物理系统。在寻求理解宇宙的过程中，重要的是，当我们彼此谈论这些概念时，我们都能够理解我们使用的术语。对于每个和我一样学习物理的人来说，是时候更新我们的知识了：封闭系统只禁止物质交换，只要输入适当的能量，即使是封闭系统的熵也真的可以降低！