熵定律

簡(jiǎn)介

在信息論中，熵被用來衡量一個(gè)隨機(jī)變量出現(xiàn)的期望值。它代表了在被接收之前，信號(hào)傳輸過程中損失的信息量，又被稱為信息熵。信息熵也稱信源熵、平均自信息量。在1948年，克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)將熱力學(xué)的熵，引入到信息論，因此它又被稱為香農(nóng)熵。

熵在生態(tài)學(xué)中是表示生物多樣性的指標(biāo)。

最高定律

熵定律是自然界的最高定律。在等勢(shì)面上，熵增原理反映了非熱能與熱能之間的轉(zhuǎn)換具有方向性，即非熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苄士梢詾?00%，而熱能轉(zhuǎn)變成非熱能時(shí)效率則小于100%(轉(zhuǎn)換效率與溫差成正比)，這種規(guī)律制約著自然界能源的演變方向，對(duì)人類生產(chǎn)、生活影響巨大；在重力場(chǎng)中，熱流方向由體系的勢(shì)焓(勢(shì)能+焓)差決定，即熱量自動(dòng)地從高勢(shì)焓區(qū)傳導(dǎo)至低勢(shì)焓區(qū)，當(dāng)出現(xiàn)高勢(shì)焓區(qū)低溫和低勢(shì)焓區(qū)高溫時(shí)，熱量自動(dòng)地從低溫區(qū)傳導(dǎo)至高溫區(qū)，且不需付出其他代價(jià),即絕對(duì)熵減過程。2

熵概念

熵概念源于卡諾熱機(jī)循環(huán)效率的研究，是以熱溫商的形式而問世的，當(dāng)計(jì)算某體系發(fā)生狀態(tài)變化所引起的熵變總離不開兩點(diǎn)，一是可逆過程；二是熱量的得失，故總熵概念擺脫不了熱溫商這個(gè)原始外衣。當(dāng)用狀態(tài)數(shù)來認(rèn)識(shí)熵的本質(zhì)時(shí)，我們通過研究發(fā)現(xiàn)，理想氣體體系的總微觀狀態(tài)數(shù)受宏觀的體積、溫度參數(shù)的控制，進(jìn)而得到體系的總熵等于體積熵與溫度熵之和(見有關(guān)文章)，用分熵概念考察體系的熵變化，不必設(shè)計(jì)什么可逆路徑，概念直觀、計(jì)算方便(已被部分專家認(rèn)可)，因而有利于教和學(xué)。

熵流

熵流是普里戈津在研究熱力學(xué)開放系統(tǒng)時(shí)首次提出的概念(普里戈津是比利時(shí)科學(xué)家，因?qū)崃W(xué)理論有所發(fā)展，獲得1977年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))，普氏的熵流概念是指系統(tǒng)與外界交換的物質(zhì)流及能量流3。我們認(rèn)為這個(gè)定義不太精辟，這應(yīng)從熵的本質(zhì)來認(rèn)識(shí)它，不錯(cuò)物質(zhì)流一定是熵的載體，而能量流則不一定，能量可分熱能和非熱能[如電能、機(jī)械能、光能(不是熱輻射)]，當(dāng)某絕熱系統(tǒng)與外界交換非熱能(發(fā)生可逆變化)時(shí)，如通電導(dǎo)線(超導(dǎo)材料)經(jīng)過絕熱系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)體系內(nèi)熵沒有影響，準(zhǔn)確地說能量流中只有熱能流(含熱輻射)能引入熵流(對(duì)非絕熱系統(tǒng))。對(duì)于實(shí)際情形，非熱能作用于系統(tǒng)發(fā)生的多是不可逆過程，會(huì)有熱效應(yīng)產(chǎn)生，這時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)熵增加，這只能叫(有原因的)熵產(chǎn)生，而不能叫熵流的流入，因能量流不等于熵流，所以不論什么形式的非熱能流都不能叫熵流，更不能籠統(tǒng)地把能量流稱為熵流。

計(jì)算公式

1．克勞修斯首次從宏觀角度提出熵概念，其計(jì)算公式為：S=Q/T,(計(jì)算熵差時(shí)，式中應(yīng)為△Q)

2．波爾茲曼又從微觀角度提出熵概念，公式為：S=klnΩ，Ω是微觀狀態(tài)數(shù)，通常又把S當(dāng)作描述混亂成度的量。

3．筆者針對(duì)Ω不易理解、使用不便的現(xiàn)狀，研究認(rèn)為Ω與理想氣體體系的宏觀參量成正比，即：Ω(T)=(T/εT)3/2,Ω(V)=V/εV，得到理想氣體的體積熵為SV=klnΩv=klnV,溫度熵為ST=klnΩT=(3/2)klnT ，計(jì)算任意過程的熵差公式為△S=(3/2)kln(T'/T)+kln(V'/V),這微觀與宏觀關(guān)系式及分熵公式，具有易于理解、使用方便的特點(diǎn)，有利于教和學(xué)，可稱為第三代熵公式。

上述三代熵公式，使用的物理量從形式上看具有"直觀→抽象→直觀"的特點(diǎn)，我們認(rèn)為這不是概念游戲，是對(duì)熵概念認(rèn)識(shí)的一次飛躍。

實(shí)例

冰箱不能減熵

克勞修斯把熵增原理表述為："熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳向高溫物體”，這給人們一個(gè)錯(cuò)覺，外界做功使熱量從低溫物體傳到高溫物體，或者說使等溫體變成不等溫體，就意味著發(fā)生熵減。這種認(rèn)識(shí)是偏面的，以絕熱房間內(nèi)放一工作的電冰箱為例，冰箱內(nèi)溫度變低，冰箱外的房間內(nèi)溫度變高，許多人把這外界做功而拉開溫差的現(xiàn)象叫做熵減。這種看法是錯(cuò)誤的，僅就室內(nèi)的冰箱內(nèi)外來說，如果考慮了電流的熱效應(yīng)，這個(gè)室內(nèi)的總熵變化只增不減(不信可計(jì)算一下)。外界做功不能使絕熱系統(tǒng)內(nèi)的熵減少，不論是電能、機(jī)械能等非熱能做功(通常不能避免熱效應(yīng))都不能使絕熱系統(tǒng)內(nèi)的熵減少，所以說，我們認(rèn)為熵增原理準(zhǔn)確的表述應(yīng)為：“在等勢(shì)面上，絕熱系統(tǒng)內(nèi)的熵永不減少”。

地?zé)醽碓?/h3>

地下熱能儲(chǔ)量巨大，相當(dāng)于全球煤炭?jī)?chǔ)量的1.7億倍。有人估算，以當(dāng)今全世界耗能總量計(jì)算，即使全部使用地?zé)崮埽?100萬年后才能使地球內(nèi)部的溫度下降 1℃。地?zé)岬奶攸c(diǎn)呈內(nèi)高外低分布，我們認(rèn)為(另有論文)它遵循"可壓縮流體的靜力學(xué)方程",即勢(shì)焓(勢(shì)能+焓)平衡規(guī)律，當(dāng)?shù)貎?nèi)勢(shì)焓低于地表勢(shì)焓時(shí)，重力具有云集地表低溫?zé)崮芟虻匦霓D(zhuǎn)移的機(jī)制，地?zé)崾怯篮愦嬖诘哪茉?。關(guān)于地?zé)醽碓磫栴}，人們尚無準(zhǔn)確定論，主要有兩種解釋：

1．地球內(nèi)部的放射性元素蛻變放熱，即原子能；

2．地球在形成初期帶來的熱量。我們對(duì)上述解釋的看法是，如果是第一種，有三種情況：

①地?zé)釡囟瘸释獾蛢?nèi)高按一定梯度的分布，那熱源必在地心，這不就是原子彈嗎？后果不堪設(shè)想；

②礦物分布通常遵循"物以類聚"的原則，那么地球內(nèi)部的放射性元素分布(熱源)就會(huì)與地?zé)岱植家恢?，顯然這不合情理；

③地下溫泉或巖漿(石頭)應(yīng)該裹挾著很強(qiáng)的放射性物質(zhì)，實(shí)際上沒有，所以說地?zé)岬闹饕獊碓床豢赡苁欠派湫栽赝懽?。如果是第二種，一是體積收縮擠壓產(chǎn)生；二是本來是高溫體，冷卻至今形成熱量梯度分布，這種可能性是有的。我們認(rèn)為也有第三種可能，即地球形成時(shí)溫度是均勻的而又不是十分高溫的物質(zhì)，從45億年前至今，重力將地表低溫區(qū)熱能向地心轉(zhuǎn)移，使熱量形成梯度分布(中心約5000℃)，逐步實(shí)現(xiàn)勢(shì)焓平衡。

引力“熵增減”

一種解釋

引力的“熵減”現(xiàn)象說法——熱環(huán)論

科學(xué)家們通過長(zhǎng)期對(duì)熵理論的研究，提出了“熱環(huán)論”（又可稱“熱動(dòng)論”），完成了恩格斯的遺愿。

熱環(huán)論指出：可壓縮流體的靜力學(xué)方程，即勢(shì)焓(勢(shì)能+焓)平衡規(guī)律指出，在引力場(chǎng)中，相同質(zhì)量的流質(zhì)其擁有的勢(shì)焓值均為同一常數(shù)，這就意味著當(dāng)流質(zhì)勢(shì)能大時(shí)其焓值小(溫度低)，相反，當(dāng)勢(shì)能小時(shí)其焓值大(溫度高)，如果星體中心的勢(shì)焓值比外圍低時(shí)，引力將迫使外圍低溫區(qū)熱量向中心高溫區(qū)傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移，以趨于勢(shì)焓平衡。又根據(jù)熱輻射定律可知，熱輻射僅由溫度決定，不受引力影響。上述兩類因素是熱循環(huán)的動(dòng)力，即熱量在引力的幫助下從低溫3k傳導(dǎo)至高溫億萬k(太空中或星體內(nèi)部都存在著溫度梯度這個(gè)客觀事實(shí))，再以輻射的方式逸散到太空中去，就這樣循環(huán)往復(fù)以至無窮，這就"熱環(huán)論"描述的現(xiàn)象。

以白矮星為例，白矮星內(nèi)部無熱源發(fā)光是因?yàn)樾求w引力能從太空云集低溫?zé)崮?。任何星體與太空間都存在著相反的熱循環(huán)轉(zhuǎn)移過程，即使是具有內(nèi)部熱源的星體也疊加著上述熱循環(huán)過程（比如恒星的聚變熱源）。

另一種解釋

引力還是“熵增”現(xiàn)象——熱寂說

這就是著名的“熱寂說”...可以看出來，引力同樣可以解釋為“熵增”現(xiàn)象：質(zhì)量的引力把原來的物質(zhì)從低溫加熱到高溫，這個(gè)加熱的能量來自物質(zhì)本身也就是質(zhì)量的消耗（有可能來自原子核的質(zhì)量減少，也可能來自電子能級(jí)的消耗等因素，下面有分析）。但宇宙的質(zhì)量一開始怎么來的？至今還在假設(shè)當(dāng)中，這也就是宇宙的誕生之謎。不過能推斷出的就是：宇宙這些“天生”的質(zhì)量其實(shí)就是“負(fù)熵”，宇宙一直都是在“負(fù)熵”變“正熵”的過程，即質(zhì)量消耗而變?yōu)闊崮艿倪^程，所以宇宙如果還有質(zhì)量，就不會(huì)是我們所說的“死亡終結(jié)”，有質(zhì)量就可以創(chuàng)造熱能，從而獲得非熱能形式的能量。所以質(zhì)量的引力把原來的物質(zhì)從低溫加熱到高溫，并不是違反熱力學(xué)第二定律的：“自發(fā)性把熱從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體”，而是消耗了自身獲得熱能，由熵增而變高溫的（這也就是我們所使用的所有能量的本源）。而把熱能還原為質(zhì)量，而不引起其他影響的，才是“絕對(duì)熵減”。

原子與原子之間的分隔是因?yàn)橛须姶帕Γ姶帕κ翘摴庾觽鬟f產(chǎn)生的），遠(yuǎn)離原子核的電子能級(jí)高。以地球?yàn)槔厍騼?nèi)部物質(zhì)被高度擠壓，所以經(jīng)過壓縮，電子“被迫”降低能級(jí)，這就會(huì)釋放出能量（電子向低能級(jí)躍遷，虛光子轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾俞尫懦鰜恚?，釋放的能量又被周圍的物質(zhì)吸收，導(dǎo)致周圍物質(zhì)的電子能級(jí)升高，運(yùn)動(dòng)更劇烈，但運(yùn)動(dòng)空間被引力限制，所以形成一個(gè)“惡性循環(huán)”，也可以看成是一個(gè)平衡（用來抵御壓縮，減緩體積縮小速度）：釋放能量，然后吸收，再釋放...逐漸向外圍的低溫區(qū)域傳遞，代價(jià)就是體積會(huì)不斷縮小緊密，最終達(dá)到一個(gè)“度”，產(chǎn)生新的質(zhì)變。不過如果不是恒星這樣因?yàn)橐薮?，已?jīng)快速的經(jīng)過了一次量變與質(zhì)變的轉(zhuǎn)化的（由巨大引力實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部更高溫，造成聚變，也就是觸發(fā)了更深層的能量釋放...），其他溫和的小天體，比如地球，經(jīng)歷的這個(gè)過程是非常漫長(zhǎng)的，這也就導(dǎo)致了來自外界的變數(shù)干擾會(huì)成為必然，所以僅僅只能理論上成立。