熵增

物理定义:熵增过程是一个自发的由有序向无序发展的过程(Bortz, 1986; Roth, 1993)。 热力学定义:熵增加,系统的总能量不变,但其中可用部分减少。统计学定义:熵衡量系统的无序性。熵越高的系统就越难精确描述其微观状态。
早在1947年薛定谔就曾高瞻远瞩地指出了熵增过程也必然体现在生命体系之中(Schrodinger 1947)。人体是一个巨大的化学反应库,生命的代谢过程建立在生物化学反应的基础上。从某种角度来讲,生命的意义就在于具有抵抗自身熵增的能力,即具有熵减的能力。在人体的生命化学活动中,自发和非自发过程同时存在,相互依存,因为熵增的必然性,生命体不断地由有序走回无序,最终不可逆地走向老化死亡。
- 中文名 熵增原理
- 别称 熵增
热力学定义
在热力学中,熵是系统的热力学参量,它代表了系统中不可用的能量,衡量系统产生自发过程的能力。熵增加,系统的总能量不变,但其中可用部分减少。孤立系统的熵不会减少,这也是热力学第二定律的表现之一。
统计学定义
:玻尔兹曼原理
在统计学中,熵衡量系统的无序性,代表了系统在给定的宏观状态(如温度、压强、体积等等)下,处于不同微观状态的可能性,或者说构成该宏观系统的微观方式的数量。举例,已知在3个盒子里有3个球,这个是系统的宏观状态,微观状态则是球在不同盒子间的分布(如3个球全部在第一个盒子,或者一个盒子里有一个球等等)。熵越高的系统就越难精确描述其微观状态。
表达式
在热力学中,熵是系统的状态函数,它的物理表达式为:
S =∫dQ/T或ds = dQ/T
其中,S表示熵,Q表示热量,T表示温度。
该表达式的物理含义是:一个系统的熵等于该系统在一定过程中所吸收(或耗散)的热量除以它的绝对温度。可以证明,只要有热量从系统内的高温物体流向低温物体,系统的熵就会增加:
S =∫dQ1/T1+∫dQ2/T2
假设dQ1是高温物体的热增量,T1是其绝对温度;
dQ2是低温物体的热增量,T2是其绝对温度,
则:dQ1 = -dQ2,T1>T2
于是上式推演为:S = |∫dQ2/T2|-|∫dQ1/T1| > 0
这种熵增是一个自发的不可逆过程,而总熵变总是大于零。
孤立系统总是趋向于熵增,最终达到熵的最大状态,也就是系统的最混乱无序状态。但是,对开放系统而言,由于它可以将内部能量交换产生的熵增通过向环境释放热量的方式转移,所以开放系统有可能趋向熵减而达到有序状态。
熵增的热力学理论与几率学理论结合,产生形而上的哲学指导意义:事物的混乱程度越高,则其几率越大。
现代科学还用信息这个概念来表示系统的有序程度。信息本来是通讯理论中的一个基本概念,指的是在通讯过程中信号不确定性的消除。后来这个概念推广到一般系统,并将信息量看作一个系统有序性或组织程度的量度,如果一个系统有确定的结构,就意味着它已经包含着一定的信息。这种信息叫做结构信息,可用来表示系统的有序性;结构信息量越大,系统越有序。因此,信息意味着负熵或熵的减少。
熵增原理
系统经绝热过程由一状态达到另一状态熵值不减少——熵增原理(theprincipleoftheincreaseofentropy)对绝热过程,ΔQ=0,有ΔS(绝热)≥0(大于时候不可逆,等于时候可逆)或dS(绝热)≥0(>0不可逆;=0可逆)熵增原理表明,在绝热条件下,只可能发生dS≥0的过程,其中dS=0表示可逆过程;dS>0表示不可逆过程,dS<0过程是不可能发生的。但可逆过程毕竟是一个理想过程。因此,在绝热条件下,一切可能发生的实际过程都使系统的熵增大,直到达到平衡态。