还有一种可能性是，水分子所有的热运动能量都集中于上半部分的分子里，在这种情况下，下半部分的水会突然冻结，上半部分的水则开始剧烈沸腾。为什么你从没见过这样的事情？并不是因为它绝对不可能发生，而只是因为它发生的概率极低。事实上，你可以算一算原本完全随机运动的分子突然有一半向上运动、一半向下运动的概率，然后你会发现，这种事情发生的概率和所有空气分子同时聚在房间一角一样低。同样地，水分子互相碰撞导致部分分子失去绝大部分能量、部分分子得到可观能量，这种情况出现的概率也低得可以忽略不计。因此，我们实际观察到的分子运动总是按照可能性最大的情况来进行。

如果分子的初始位置或速度不符合可能性最大的情况，比如说，在房间一角释放一些气体，或者在冷水上面倒一些热水，那么必然会发生一些物理变化，使我们的整个系统从可能性较低的状态逐渐变成最可能的状态。气体会在房间中扩散，直至均匀分布；杯子顶部的热量将流向底部，直至整杯水温度相同。因此，我们或许可以说，所有依赖于分子不规律运动的物理过程必然朝着可能性更大的方向发展，直至最后达到可能性最大的平衡态。房间中空气分布的例子告诉我们，分子各种分布状态出现的概率常常是一些很不方便的极小的数字（比如说，所有空气集中在半个房间中的概率是 ），所以我们一般用对数来指代它们。这个物理量叫作熵，在所有与物质不规律热运动有关的问题中，熵是一个非常重要的参数。刚才我们描述物理过程中概率变化的那句话可以重新表述为：物理系统中任何自发的过程必然朝着熵增的方向发展，直至最后达到熵最大的平衡态。

这就是著名的熵增定律，又叫热力学第二定律（第一定律是能量守恒定律），你已经看到了，这条定律其实并不可怕。

熵增定律又叫无序度增加定律，因为我们在上面几个例子里已经看到，分子的位置和速度完全随机分布时，熵达到最大值，所以任何试图为分子运动引入一定秩序的努力必将导致熵减。熵增定律还有另一个更实用的方程，可以通过热转化为机械运动的问题归纳出来。如果你还记得，热实际上是分子的无规律机械运动，那么你应该很容易理解，要将给定物质蕴含的热完全转化为宏观运动的机械能，这等同于迫使该物体的所有分子朝一个方向运动。不过，在半杯水突然同时喷向天花板的那个例子里，我们已经看到，这样的情况出现的可能性极低，我们可以认为它不可能实际发生。因此，虽然机械能可以完全转化为热能（比如说通过摩擦），但热能却不可能完全转化为机械能。这条定律否认了所谓的“第二类永动机”[98]出现的可能性，这种假想装置能从正常温度的物体中吸收热量使其变冷，然后利用得到的能量做机械功。比如说，蒸汽船的锅炉靠烧煤产生蒸汽，如果把锅炉换成第二类永动机，它就能将海水泵入发动机室，从水中吸收热量制造蒸汽，再把失去热量的海水结成的冰块扔回海里——但这样的事情绝不可能发生。

但普通的蒸汽发动机为什么就能将热转化为运动，同时并不违背熵增定律呢？奥秘在于蒸汽发动机利用的只是燃料燃烧产生的一部分能量，更多能量以废气的形式排了出去，或者被专门安装的冷却设备吸收了。在这种情况下，整个系统内的熵发生了两种相反的变化：1.部分热量转化为活塞的机械能，这是一个熵减的过程；2.锅炉的另一部分热量流入冷却设备，这是一个熵增的过程。熵增定律要求的只是系统的总熵增加，只要后面这部分增加的熵超过前面那部分减少的熵就行。另一个例子可以帮助我们更好地理解熵增定律。假设有个5磅重的砝码放在离地6英尺的架子上。根据能量守恒原理，这个砝码不可能在没有外力作用的情况下自己跑到天花板上。从另一方面来说，它却有可能将自己的部分重量掷向地板，由此获得能量，让剩余的部分飞上去。

同样地，我们可以允许系统内的局部区域出现熵减，只要其余部分增加的熵足以补偿差额。换句话说，我们的确能让系统内部分区域的分子无序运动变得更有序，只要我们不在乎这样的操作会让其他区域的分子运动变得更无序。实际上，很多情况下（例如各种热功机械）我们的确不在乎。