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熵的本質(zhì)和統(tǒng)一
熵的本質(zhì)和統(tǒng)一 來稿登載 (sea3000@gmail.com) 上傳:2011.03.17 訪問68支持0
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作者天津?yàn)I海新區(qū)李新民
一 1引言
熵是一個(gè)極其重要的物理量,但卻又以其難懂而聞名于世??藙谛匏褂?865年首先引入它,用來定量地闡明熱力學(xué)第二定律。后來,玻爾茲曼賦予了熵的統(tǒng)計(jì)解釋。到了1929年,西拉德又將熵與信息聯(lián)系起來,給出了熵的新含義。目前,熵不僅廣泛出現(xiàn)在自然科學(xué)和工程技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域,甚至在社會(huì)科學(xué),人文科學(xué)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域也常會(huì)遇到熵的蹤跡。由于熵的概念比較抽象隱晦,它既廣泛的為人們所應(yīng)用,又廣泛地被人們?yōu)E用。熵到現(xiàn)在還是科學(xué)沒有弄明白的概念,熵和它的本質(zhì)是什么,熵由什么決定的等微觀機(jī)制還沒有弄明白,只給出了宏觀統(tǒng)計(jì)解釋,認(rèn)為概率法制是制約熵的本質(zhì)。其實(shí)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是在宏觀框架下完成的,它并沒有深入微光世界的實(shí)質(zhì),是宏觀統(tǒng)計(jì)的表現(xiàn)?,F(xiàn)代科學(xué)也無法給出熵本質(zhì)的答案,因?yàn)殪厥怯脽崃亢蜔崃W(xué)溫度來定義和度量的,而熱量的定義就是一個(gè)含糊和矛盾的概念,溫度又是由熱量來定義的,所以造成熵概念的不清和混亂,甚至產(chǎn)生困惑,例如宇宙熱寂就困惑科學(xué)界到現(xiàn)在,無法給出實(shí)質(zhì)性的解答;生命賴以負(fù)熵生存,這個(gè)負(fù)熵是什么,無人知道。熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)在沒有弄清熱量的基礎(chǔ)上,為了解決和動(dòng)力學(xué)的矛盾,將自身的研究范圍延伸到不可逆過程,不但沒有深入到問題的本質(zhì),反而使理論趨向復(fù)雜,耗散結(jié)構(gòu)就是其代表。物理學(xué)家普遍認(rèn)為,熱力學(xué)的現(xiàn)象和規(guī)律可以回溯到動(dòng)力學(xué)規(guī)律加以統(tǒng)一,然而如何從時(shí)間反演對(duì)稱的微觀動(dòng)力學(xué)得出宏觀的不可逆性,以及在宏觀領(lǐng)域內(nèi)熱力學(xué)是否全面有效還是一個(gè)科學(xué)尚待澄清和解決的問題。
二 熱和熱量的本質(zhì)
熱力學(xué)中最核心的概念是‘溫度’和‘熱量’,在科學(xué)史上長期以來它們是混淆不清的,‘但是一經(jīng)辨別清楚,就使得科學(xué)得到飛速發(fā)展’。的確,這兩個(gè)概念都是相當(dāng)深刻的,現(xiàn)代物理學(xué)對(duì)它們的定義存在錯(cuò)誤,沒有揭示熱的本質(zhì),從而對(duì)溫度的理解不全面。將熱定義為分子平均動(dòng)能的表現(xiàn),現(xiàn)代科學(xué)已將其作為科學(xué)的基本概念寫入教科書中。但是,工程技術(shù)中出現(xiàn)的很多問題用運(yùn)動(dòng)熱學(xué)說是無法解釋的。如摩擦生熱,激光,溫室效應(yīng),化學(xué)反應(yīng),原子能,核能以及物質(zhì)的熱輻射等,并不是分子的熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,它們發(fā)出的熱大部分是以光和熱輻射的形式運(yùn)動(dòng)的。光和熱輻射不是物質(zhì),更不是分子;光和熱輻射是一種不是物質(zhì)的能量。對(duì)熱概念的正確認(rèn)識(shí)關(guān)系科學(xué)基礎(chǔ)的大事,我們必須從眾多的現(xiàn)象中找出本質(zhì)。人們對(duì)熱無法深入了解和對(duì)力是什么,熵是什么,空間是什么,質(zhì)量是什么等問題的認(rèn)識(shí)一樣,是基于對(duì)同一個(gè)問題的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)--對(duì)能量的認(rèn)識(shí)的錯(cuò)誤。光和熱輻射就是能量,能量不是物質(zhì),能量是客觀世界的另一個(gè)存在。能量占有空間,能量有運(yùn)動(dòng),動(dòng)量和慣性;但能量不存在質(zhì)量。宇宙幾乎有無限的質(zhì)量,物質(zhì)又不停的釋放光和熱輻射等能量,如果將它們看成物質(zhì),豈不是物質(zhì)在不停的產(chǎn)生物質(zhì),宇宙中的物質(zhì)將不停的增長下去,宇宙不需要能量就可以永遠(yuǎn)的膨脹下去,這肯定是無法讓人們接受的,也是科學(xué)不能允許的。宇宙空間是由動(dòng)能量,靜能量和基態(tài)能量組成的(見作者的文章)。動(dòng)能量是有溫度,有頻率的能量。動(dòng)能量空間是隨時(shí)間自由膨脹的,能量密度不斷下降,能量空間體積不斷增大,溫度和頻率逐漸降低,波長逐漸被膨脹長,最后變成靜能量,動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成靜能量。靜能量又不斷轉(zhuǎn)化為基態(tài)能量,使靜能量空間和基態(tài)能量空間的能量密度保持不變。能量密度高,溫度就高,能量波的頻率也高;能量密度低溫度就低,能量波的頻率也低。溫度是由能量密度的大小決定的,不是由分子的熱運(yùn)動(dòng)決定的。能量的運(yùn)動(dòng)決定分子的運(yùn)動(dòng),沒有能量物質(zhì)將停止運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)不是物質(zhì)固有的,物質(zhì)是吸收空間能量才運(yùn)到的。星體內(nèi)部為什么都是液體或氣體的,這是由于物質(zhì)分子,原子不停的釋放能量,使物質(zhì)間的能量密度不斷的增加,溫度不斷的增高的結(jié)果。地球的自轉(zhuǎn),太陽的發(fā)光,星球的爆炸,大陸的版塊運(yùn)動(dòng),地震,地磁,地光,溫室效應(yīng),火山,洋流等都是物質(zhì)釋放熱輻射等能量造成的。地殼和地幔的相對(duì)運(yùn)動(dòng),就是由地幔釋放的高壓能量作用地殼的結(jié)果。熱力學(xué)第二定律就是描寫動(dòng)能量運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng),它的時(shí)間之矢就是動(dòng)能量空間的膨脹方向,也是熵增大的方向。能量密度是產(chǎn)生熱的根源這一認(rèn)識(shí)是不易被人們接受的,因?yàn)樗臀ㄎ镏髁x的世界是物質(zhì)認(rèn)識(shí)觀相對(duì)立,對(duì)熱正確的認(rèn)識(shí)必須從能量是不同于物質(zhì)的客觀存在的認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變開始。
三 熵的本質(zhì)
熵在宏觀意義上也可作為能量在空間分布的均勻度的量度,能量的空間分布越集
中,則熵值越??;越均勻,熵值越大。能量都是在非均勻分布傾向于均勻分布的過程
中轉(zhuǎn)化做功的,即若要使能量作功,必須在一定的空間中造成能量密度的差異,使能
量從高密度區(qū)流向低密度區(qū);能量分布越不均勻,有序度越高,則熵就越小,能量轉(zhuǎn)
化為功的效率越高;若能量分布已完全均勻,熵達(dá)到最大,這時(shí)不可能再發(fā)生宏觀
流,也就不能獲得功。要揭示熵的本質(zhì),必須知道空間是由什么組成的和熱力學(xué)定律
的本質(zhì)。
恩格斯事在《自然辯證法》中說:"放射到太空中去的熱一定有可能通過某種途徑
(指明這一途徑,將是以后自然科學(xué)的課題)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N運(yùn)動(dòng)形式,在這種運(yùn)動(dòng)形
式中,它能夠重新集結(jié)和活動(dòng)起來。" 我們知道,物質(zhì)時(shí)刻不停的釋放熱輻射,但物
質(zhì)本身的質(zhì)量并沒有減少,同時(shí)科學(xué)認(rèn)為熱輻射也是物質(zhì)的一種形態(tài),太空中這么多
的物質(zhì)釋放出大量的熱輻射到宇宙中,宇宙的背景溫度并沒有增加,永遠(yuǎn)保持在2.7k
恒定不變的溫度上,那么放射到宇宙中的熱都去到那里了?尋找熱的歸宿,查明熱的
去向就是找到了熵的形成與衰亡,就是看到了宇宙的盡頭。因?yàn)闊幔ㄝ椛洌┦遣粩嗯?div style="height:15px;">
脹的,最后消失在天空中,天空中的熱一定是轉(zhuǎn)換為一種沒有膨脹,沒有頻率和溫度
的能量了。這樣將熱(輻射)看成是物質(zhì)的一種存在形態(tài)的現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)識(shí)觀是錯(cuò)誤
的,應(yīng)將熱(輻射)定義為能量的一種,并將能量定義為不同于物質(zhì)的第二個(gè)客觀存
在這個(gè)違背唯物主義哲學(xué)觀的物理概念。有了這樣的認(rèn)識(shí)飛躍,我們就可以揭開宇宙
的神秘面紗。
物質(zhì)不停地釋放能量(熱輻射),那么它就應(yīng)該吸收某種能轉(zhuǎn)化為熱的能量,這
種能量應(yīng)該是熱輻射能量的基態(tài)能量,宇宙中的熱輻射等能量最終都將轉(zhuǎn)化為這種基
態(tài)能量;并且,物質(zhì)吸收基態(tài)能量的量與物質(zhì)釋放的能量轉(zhuǎn)化為基態(tài)能量的量相等,
這樣才能保證宇宙微波背景輻射的溫度永遠(yuǎn)保持在2.7K恒定不變的溫度上。有了這
我們就可以描繪宇宙的面貌,知道熵的本質(zhì)和宇宙是否能"熱寂"。
在描繪宇宙面貌之前,我們必須轉(zhuǎn)變對(duì)光,電磁波和電磁場等具有膨脹和熱性質(zhì)
"物質(zhì)"的看法,將他們定義為能量的一種。這樣宇宙空間就由3種能量組成:
1由物質(zhì)釋放出來的能量,如光,熱輻射和電磁波等,并定義它們?yōu)閯?dòng)能量。
2由宇宙微波背景輻射組成的能量定義為靜能量。
3熱輻射,光和電磁波等消失后變成的能量定義為基態(tài)能量。
物質(zhì)吸收基態(tài)能量產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),物質(zhì)運(yùn)動(dòng)釋放動(dòng)能量。能量是客觀存在的,它是
占有一定的空間的,有能量存在它就占有一定的空間,有空間它就充滿了能量,不存
在沒有能量的空間。空間是能量存在的形式,能量是產(chǎn)生空間的必然,可以將能量看
成是能量空間。宇宙空間是由動(dòng)能量空間,靜能量空間和基態(tài)能量空間組成的。不同
的能量空間有不同的能量密度和體積,能量空間的能量密度和體積是隨時(shí)間變化的。
動(dòng)能量空間是隨時(shí)間自由膨脹的,它的能量密度不斷降低,體積不斷增大;當(dāng)能量密
度降到靜能量密度時(shí),動(dòng)能量空間的體積增大到一個(gè)最大值時(shí)消失到靜能量空間中。
能量空間密度的減小和能量空間體積的增大決定著你了空間熵的增大,能量空間體積
的消失也決定著能量空間熵的消失。動(dòng)能量空間,靜能量空間和基態(tài)能量空間是動(dòng)態(tài)
平衡的,能量空間的體積是不變的,也就是3個(gè)能量空間的大小是有限的;不管是靜
能量空間,還是基態(tài)能量空間無限都會(huì)造成宇宙微波背景輻射的溫度變化,使之不是
2.7K的溫度。靜能量空間和基態(tài)能量空間的體積是一樣大的,它們是重疊在一個(gè)空
間之中,它們的大小就是宇宙的大小。熱力學(xué)是揭示動(dòng)能量運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的學(xué)科,熱力
學(xué)第二定律的方向,就是能量的膨脹方向,也就是熱力學(xué)的時(shí)間之矢。宇宙"熱寂"只
考慮動(dòng)能量的運(yùn)動(dòng),沒有考慮動(dòng)能量會(huì)轉(zhuǎn)化為宇宙微波背景輻射能量。物質(zhì)不斷的釋
放動(dòng)能量,動(dòng)能量不斷的轉(zhuǎn)化為靜能量,靜能量又不斷地轉(zhuǎn)化為基態(tài)能量,而基態(tài)能
量又不斷地被物質(zhì)吸收,使得宇宙中的3種能量基本保持不變。
一 熱力學(xué)定律的本質(zhì)
1、熱力學(xué)第零定律的本質(zhì):在同一狀態(tài)下,A系統(tǒng)的能量密度,B系統(tǒng)的能量
密度,分別與能量密度相等,則A系統(tǒng)的能量密度和B系統(tǒng)的能量密度就相等。
2、熱力學(xué)第一定律的本質(zhì):在任一過程中,系統(tǒng)吸收的能量其動(dòng)能量空間就
膨脹,并對(duì)外界能量空間或物體作功。令A(yù)是系統(tǒng)存在的能量,B是從外界吸收
后的能量,令a1是系統(tǒng)吸收外界能量前的能量密度,a2是系統(tǒng)吸收外界能量后
的能量密度。V是吸收外界能量前系統(tǒng)NK的體積,V+△V是系統(tǒng)吸收外界能量
膨脹后,NK的體積,則有
A=a1v B=a2(v+△v) (1) (1)
則內(nèi)能的增量
△U=(a2-a1)V+a2△V (2) 式 式式中第一項(xiàng)是外界對(duì)系統(tǒng)所做的功,第二項(xiàng)是外界傳給系統(tǒng)的能量(熱量)。
3、熱力學(xué)第二定律的本質(zhì):在一定狀態(tài)下,高能量密度的動(dòng)能量空間要向低
能量密度的能量空間膨脹,傳播,使系統(tǒng)能量空間的能量密度達(dá)到均勻?yàn)橹梗?div style="height:15px;">
即,使系統(tǒng)能量空間的能量密度趨于一個(gè)恒定值。
4、熱力學(xué)第三定律的本質(zhì):由于基態(tài)能量具有物質(zhì)不可屏蔽性,在一個(gè)封閉
的冷卻系統(tǒng)中,組成系統(tǒng)的物質(zhì)不斷吸收基態(tài)能量空間的能量,同時(shí)它又不斷
將基態(tài)能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能量釋放到系統(tǒng)中,因此,我們無法做到一個(gè)完全沒有動(dòng)
能量的系統(tǒng),只要系統(tǒng)中存在動(dòng)能量,它就存在一定的溫度,這就是絕對(duì)零度
不可以達(dá)到的原因。
二、熵的本質(zhì)
熵是一個(gè)極其重要的物理量,但卻又以其難懂,而聞名于世??藙谛匏褂?div style="height:15px;">
1865年首先引入它,用來定量地闡明熱力學(xué)第二定律。后來,波耳茲曼賦予
了熵的統(tǒng)計(jì)解釋,西拉德給出了熵與信息的關(guān)系。熵的本質(zhì)是什么,它由什么
因素決定的,這也是現(xiàn)代物理學(xué)遇到的難提之一。
動(dòng)能量在傳播過程中使動(dòng)能量空間的體積膨脹,其能量密度下降,溫度降低,
對(duì)于能量一定時(shí),則有
a1/a2=T1/T2 或 a1/T1=a2/T2 (3)
則有
NE=a/T=常數(shù) (4)
式中,a1,a2和a代表不同的能量密度,T1, T2和T代表不同的溫度
對(duì)于一定體積動(dòng)能量空間中的能量有
E=av (5) (5)
式中V是動(dòng)能量空間的體積,E是動(dòng)能量空間的總能量,a是動(dòng)能量空間的能
量密度。對(duì)于能量E一定的動(dòng)能量空間,體積的變化V1至V2和能量密度的變
化A1至A2則有下列關(guān)系于
a1/a2=v1/v2 (6)
通過以上關(guān)系和能量空間的性質(zhì),我們可以揭示熵的本質(zhì)。
假設(shè)某系統(tǒng)的動(dòng)能量空間,在溫度為T時(shí)可以輸出熱量(能量)為Q,周圍媒
質(zhì)的溫度為T。因而可以構(gòu)成效率為1-(T0/T)的卡諾熱機(jī),產(chǎn)生機(jī)械功
Q[1-(T0/T], 而此熱量(能量)中的不可用部分為Q(T0/T)。假定先
將這一熱量(能量)傳給溫度為T' (T>T'>TO)的另一個(gè)物體。此時(shí)該熱量
(能量)的可用部分將減少為Q[1-(T0/T],而不可用部分增加為
Q(T0/T1)。能量不可用部分的增量為
Q(1/T'-
1/T) T0 (7) (7)
與此同時(shí),溫度分別為T與T1的這兩個(gè)物體所構(gòu)成的系統(tǒng)NK熵的增量
△S=Q(1/T'-1/T) (8)
熱量(能量)不可用部分的增加等于 T0△S,由(3)至(6)式則(7)
式可以化為
( a2V2/T'-a1V1/T)T0=NE(V2-V1)T0
= NET0△V
=a0△V (9)
則(8)式可化為
△S=NE△V (10)
其中a0 是周圍媒質(zhì)動(dòng)能量密度。(9)式表明能量的貶值是由于系統(tǒng)動(dòng)能量密度
降低趨于環(huán)境能量密度不能作功造成的。(10)式表明熵是由系統(tǒng)DNK體積膨脹
決定的,體積膨脹的方向代表熵增大的方向。而體積增大的方向,是能量密度降低
的方向。也就是:系統(tǒng)的能量密度下降的方向,是系統(tǒng)體積膨脹的方向能量貶值的
方向,能量做功的方向和熵增大的方向。這就是孤立系統(tǒng),熵只增不減的原因。對(duì)
于任一系統(tǒng),系統(tǒng)的能量密度總是從高能量密度區(qū)低能量密度區(qū)膨脹擴(kuò)散,趨于系
統(tǒng)能量密度均勻方向發(fā)展。熵增大是將集中的能量分散了,將能量密度的體積增大
了,熵是正能量傳播規(guī)律的一種表現(xiàn)。在宇宙中,在原子、分子和生命體中,其系
統(tǒng)中的原子不停的吸收基態(tài)能量。因此,在這些系統(tǒng)中,正熵流和負(fù)熵流超于平衡
。所以說,將熵和熱力學(xué)定律應(yīng)用到以上系統(tǒng)是完全錯(cuò)誤的,熱力學(xué)是動(dòng)能量運(yùn)動(dòng)
的規(guī)律;而宇宙是動(dòng)能量,靜能量,基態(tài)能量和物質(zhì)整體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,折磨了科學(xué)
界和哲學(xué)界100多年的"宇宙熱寂"說,就是將熱力第二定律錯(cuò)用到宇宙空間造成的。
四 熵的統(tǒng)一
從以上得知,熵
S=NEV (11)
對(duì)于一定體積V的系統(tǒng),能量密度A高,壓強(qiáng)P就大,壓強(qiáng)P=F力÷S面積,在正方體中,
將右邊分子和分母同乘以一個(gè)邊長得,壓強(qiáng)P=力F×邊長L÷體積V。力F×邊長L=能量E。
這樣得;壓強(qiáng)P=能量E÷體積V,既壓強(qiáng)就是能量密度a,即a=P.根據(jù)理想氣體的物態(tài)方程
PV=ΥRT (12)
或 aV=ΥRT (13)
S = aV/T=YR (14)
或 =NEV =YR (15)
其中Y是摩爾數(shù),R為普適氣體常量,系統(tǒng)的熵為(15)式和(10)式具有同樣的數(shù)學(xué)形式。
不同的是,(15)式是系統(tǒng)體積不變熵值,(10)式是系統(tǒng)體積膨脹熵的值。根據(jù)
S=NEV
知道:系統(tǒng)能量(電磁波)一定時(shí),系統(tǒng)的體積愈大,熵愈大,能量密度降低,熱量降低,
能量貶值。玻耳茲曼熵
熱力學(xué)概率Ω定義為系統(tǒng)任一宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù),即概率分布數(shù)。熱力學(xué)概率Ω是
非常大的一個(gè)數(shù),為了便于處理,1877年玻耳茲曼用下面關(guān)系式定義的熵S和熱力學(xué)概率
Ω聯(lián)系起來,來表示系統(tǒng)無序性的大
S = k lnΩ (16)
是宏觀系統(tǒng)熵值,單位是:焦耳/開 。系統(tǒng)體積越大,微觀態(tài)數(shù)就越多,系統(tǒng)就越混亂越
無序,能量密度越低;溫度越低,能量越貶值,玻耳茲曼熵越大。由此看出玻耳茲曼熵的
微觀意義:
是系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)無序性的一種量度。
http://188189189.blog.163.com/blog/static/134391435201121764713736/
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