Второй закон термодинамики гласит, что теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного к более горячему резервуару, а только с затратой механической энергии. Это принято как постулат или закон термодинамики. Есть ли более глубокая причина (вероятно, из статистической механики), почему это так?
Ну, технически энергия может течь от более холодного объекта к более горячему. Нет физического закона, запрещающего это. Однако вероятность того, что это произойдет, настолько мала, что в действительности мы никогда этого не видим. Вы можете представить, что 2 объекта (предположим, что они имеют одинаковую массу) состоят из пружин (в основном из молекул), и каждое из тел имеет некоторое количество квантов энергии (поэтому у более холодного меньше квантов). Когда вы вводите их в контакт, общее количество квантов (сумма квантов двух тел) теперь может распространяться на общее количество пружин двух тел. Итак, вы можете выполнить базовую комбинаторику, чтобы проверить, как можно распределить эти кванты по пружинам. Если вы сделаете это, вы увидите, что существует гораздо больше комбинаций, если вы распределите кванты поровну по двум телам (таким образом, кванты от более горячего тела должны идти к более холодному, а это в основном тепловой поток), то если к более горячему добавить несколько квантов от холодного. В предметах привычных нам размеров есть что-то порядка молекулы (пружины), поэтому вероятность перехода кванта из холодного в горячий настолько невероятно мала, что вы никогда не увидите ее в реальном мире. Таким образом, нет закона, заставляющего теплоту переходить от горячего тела к холодному, просто вероятность того, что это произойдет, гораздо выше.
Все тела излучают тепло в соответствии с распределением абсолютно черного тела по температуре, при которой они находятся.
Это излучение представляет собой энергию, переданную радиально от тел, и его величина определяется законом Стефана Больцмана . Яркость (ватты на квадратный метр на стерадиан) пропорциональна четвертой степени температуры. Таким образом, более холодное тело излучает на горячее тело гораздо меньше, чем горячее тело на холодное. Поскольку горячее тело будет охлаждаться своим излучением, скорость охлаждения будет меньше, чем если бы рядом с ним не было холодного радиатора. С другой стороны, поскольку поступающее излучение от горячего тела намного больше, чем потери излучения черного тела холодного тела, холодное тело будет нагреваться.
Может быть, поможет и квантово-механическая картина, или излучение, являющееся фотонами энергии h*nu. От горячего тела к холодному попадает гораздо больше фотонов более высокой энергии, чем от холодного тела к горячему.
Изменить после того, как вопрос был дублирован
Когда кто-то изучает физику, нужно помнить, о чем она: это дисциплина, которая использует математические модели для описания и прогнозирования данных/измерений. Математические уравнения, используемые для этого, имеют неограниченное количество решений, не относящихся к делу и противоречащих данным. Законы, постулаты, принципы — это квинтэссенция наблюдений и измерений, которые навязываются как аксиомы математике, чтобы подобрать подмножество функций, описывающих и предсказывающих измерения и наблюдения.
В математике аксиомы могут быть заменены теоремами, которые затем доказываются с помощью новых аксиом; точно так же постулаты и законы и принципы могут быть заменены теоремами, математическими конструкциями, но объяснение носит круговой характер, как замена аксиом в математике.
В этом ответе я использую данные, излучение черного тела, чтобы «объяснить», почему закон должен был быть принят.
Валерио