熵定律簡介

在信息論中，熵被用來衡量一個隨機變量出現的期望值。它代表了在被接收之前，信號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·香農將熱力學的熵，引入到信息論，因此它又被稱為香農熵。

熵在生態(tài)學中是表示生物多樣性的指標。

熵定律最高定律

熵定律是自然界的最高定律。在等勢面上，熵增原理反映了非熱能與熱能之間的轉換具有方向性，即非熱能轉變?yōu)闊崮苄士梢詾?00%，而熱能轉變成非熱能時效率則小于100%(轉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，對人類生產、生活影響巨大；在重力場中，熱流方向由體系的勢焓(勢能 焓)差決定，即熱量自動地從高勢焓區(qū)傳導至低勢焓區(qū)，當出現高勢焓區(qū)低溫和低勢焓區(qū)高溫時，熱量自動地從低溫區(qū)傳導至高溫區(qū)，且不需付出其他代價,即絕對熵減過程。

熵定律熵概念

熵概念源于卡諾熱機循環(huán)效率的研究，是以熱溫商的形式而問世的，當計算某體系發(fā)生狀態(tài)變化所引起的熵變總離不開兩點，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原始外衣。當用狀態(tài)數來認識熵的本質時，我們通過研究發(fā)現，理想氣體體系的總微觀狀態(tài)數受宏觀的體積、溫度參數的控制，進而得到體系的總熵等于體積熵與溫度熵之和(見有關文章)，用分熵概念考察體系的熵變化，不必設計什么可逆路徑，概念直觀、計算方便(已被部分專家認可)，因而有利于教和學。

熵定律熵流

熵流是普里戈津在研究熱力學開放系統時首次提出的概念(普里戈津是比利時科學家，因對熱力學理論有所發(fā)展，獲得1977年諾貝爾化學獎)，普氏的熵流概念是指系統與外界交換的物質流及能量流 。我們認為這個定義不太精辟，這應從熵的本質來認識它，不錯物質流一定是熵的載體，而能量流則不一定，能量可分熱能和非熱能[如電能、機械能、光能(不是熱輻射)]，當某絕熱系統與外界交換非熱能(發(fā)生可逆變化)時，如通電導線(超導材料)經過絕熱系統內，對體系內熵沒有影響，準確地說能量流中只有熱能流(含熱輻射)能引入熵流(對非絕熱系統)。對于實際情形，非熱能作用于系統發(fā)生的多是不可逆過程，會有熱效應產生，這時系統出現熵增加，這只能叫(有原因的)熵產生，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，更不能籠統地把能量流稱為熵流。

1．克勞修斯首次從宏觀角度提出熵概念，其計算公式為：S=Q/T,(計算熵差時，式中應為△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，通常又把S當作描述混亂成度的量。

3．筆者針對Ω不易理解、使用不便的現狀，研究認為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),這微觀與宏觀關系式及分熵公式，具有易于理解、使用方便的特點，有利于教和學，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，我們認為這不是概念游戲，是對熵概念認識的一次飛躍。

熵定律冰箱不能減熵

克勞修斯把熵增原理表述為："熱量不能自動地從低溫物體傳向高溫物體”，這給人們一個錯覺，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。這種認識是偏面的，以絕熱房間內放一工作的電冰箱為例，冰箱內溫度變低，冰箱外的房間內溫度變高，許多人把這外界做功而拉開溫差的現象叫做熵減。這種看法是錯誤的，僅就室內的冰箱內外來說，如果考慮了電流的熱效應，這個室內的總熵變化只增不減(不信可計算一下)。外界做功不能使絕熱系統內的熵減少，不論是電能、機械能等非熱能做功(通常不能避免熱效應)都不能使絕熱系統內的熵減少，所以說，我們認為熵增原理準確的表述應為：“在等勢面上，絕熱系統內的熵永不減少”。

熵定律地熱來源

地下熱能儲量巨大，相當于全球煤炭儲量的1.7億倍。有人估算，以當今全世界耗能總量計算，即使全部使用地熱能，4100萬年后才能使地球內部的溫度下降 1℃。地熱的特點呈內高外低分布，我們認為(另有論文)它遵循"可壓縮流體的靜力學方程",即勢焓(勢能 焓)平衡規(guī)律，當地內勢焓低于地表勢焓時，重力具有云集地表低溫熱能向地心轉移的機制，地熱是永恒存在的能源。關于地熱來源問題，人們尚無準確定論，主要有兩種解釋：

1．地球內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。我們對上述解釋的看法是，如果是第一種，有三種情況：

①地熱溫度呈外低內高按一定梯度的分布，那熱源必在地心，這不就是原子彈嗎？后果不堪設想；

②礦物分布通常遵循"物以類聚"的原則，那么地球內部的放射性元素分布(熱源)就會與地熱分布一致，顯然這不合情理；

③地下溫泉或巖漿(石頭)應該裹挾著很強的放射性物質，實際上沒有，所以說地熱的主要來源不可能是放射性元素蛻變。如果是第二種，一是體積收縮擠壓產生；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。我們認為也有第三種可能，即地球形成時溫度是均勻的而又不是十分高溫的物質，從45億年前至今，重力將地表低溫區(qū)熱能向地心轉移，使熱量形成梯度分布(中心約5000℃)，逐步實現勢焓平衡。

熵定律一種解釋

引力的“熵減”現象說法——熱環(huán)論

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

熱環(huán)論指出：可壓縮流體的靜力學方程，即勢焓(勢能 焓)平衡規(guī)律指出，在引力場中，相同質量的流質其擁有的勢焓值均為同一常數，這就意味著當流質勢能大時其焓值小(溫度低)，相反，當勢能小時其焓值大(溫度高)，如果星體中心的勢焓值比外圍低時，引力將迫使外圍低溫區(qū)熱量向中心高溫區(qū)傳導轉移，以趨于勢焓平衡。又根據熱輻射定律可知，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)的動力，即熱量在引力的幫助下從低溫3k傳導至高溫億萬k(太空中或星體內部都存在著溫度梯度這個客觀事實)，再以輻射的方式逸散到太空中去，就這樣循環(huán)往復以至無窮，這就"熱環(huán)論"描述的現象。

以白矮星為例，白矮星內部無熱源發(fā)光是因為星體引力能從太空云集低溫熱能。任何星體與太空間都存在著相反的熱循環(huán)轉移過程，即使是具有內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）。

熵定律另一種解釋

引力還是“熵增”現象——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”現象：質量的引力把原來的物質從低溫加熱到高溫，這個加熱的能量來自物質本身也就是質量的消耗（有可能來自原子核的質量減少，也可能來自電子能級的消耗等因素，下面有分析）。但宇宙的質量一開始怎么來的？至今還在假設當中，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”的質量其實就是“負熵”，宇宙一直都是在“負熵”變“正熵”的過程，即質量消耗而變?yōu)闊崮艿倪^程，所以宇宙如果還有質量，就不會是我們所說的“死亡終結”，有質量就可以創(chuàng)造熱能，從而獲得非熱能形式的能量。所以質量的引力把原來的物質從低溫加熱到高溫，并不是違反熱力學第二定律的：“自發(fā)性把熱從低溫物體轉移到高溫物體”，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）。而把熱能還原為質量，而不引起其他影響的，才是“絕對熵減”。

原子與原子之間的分隔是因為有電磁力（電磁力是虛光子傳遞產生的），遠離原子核的電子能級高。以地球為例，地球內部物質被高度擠壓，所以經過壓縮，電子“被迫”降低能級，這就會釋放出能量（電子向低能級躍遷，虛光子轉變?yōu)楣庾俞尫懦鰜恚尫诺哪芰坑直恢車奈镔|吸收，導致周圍物質的電子能級升高，運動更劇烈，但運動空間被引力限制，所以形成一個“惡性循環(huán)”，也可以看成是一個平衡（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，代價就是體積會不斷縮小緊密，最終達到一個“度”，產生新的質變。不過如果不是恒星這樣因為引力巨大，已經快速的經過了一次量變與質變的轉化的（由巨大引力實現的內部更高溫，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，經歷的這個過程是非常漫長的，這也就導致了來自外界的變數干擾會成為必然，所以僅僅只能理論上成立。2100433B

克勞修斯首次從宏觀角度提出熵概念(S=Q/T)，而后波爾茲曼又從微觀角度提出熵概念(S=klnW),其兩者是相通的,近代的普里戈金提出了耗散結構理論,將熵理論中引進了熵流的概念,闡述了系統內如果流出的熵流(dSe)大于熵產生(dSi)時,可以導致系統內熵減少，即dS=dSi dSe<0，這種情形應稱為相對熵減。但是，若把系統內外一并考察仍然服從熵增原理。

熵增原理最經典的表述是：“絕熱系統的熵永不減少”，近代人們又把這個表述推廣為“在孤立系統內，任何變化不可能導致熵的減少”。熵增原理如同能量守恒定律一樣，要求每時每刻都成立。關于系統現在有四種說法，分別叫孤立、封閉、開放和絕熱系統，孤立系統是指那些與外界環(huán)境既沒有物質也沒有能量交換的系統，或者是系統內部以及與之有聯系的外部兩者總和，封閉系統是指那些與外界環(huán)境有能量交換，但沒有物質交換的系統，開放系統是指與外界既有能量又有物質交換的系統，而絕熱系統是指既沒有粒子交換也沒有熱能交換，但有非熱能如電能、機械能等的交換。

參見百科：熱力學定律2100433B

我們知道，在科學中有三個基本定律，即質量守恒定律，能量守恒定律和電荷守恒定律。質量、能量守恒定律在微觀領域又被推廣為質、能相關定律。質量守恒定律，能量守恒定律和質能相關定律在數學上表示為等式。而熵增定律則是不等式 , 即在孤立系中 , 熵增總是大于或等于零 ( △ S ≥ 0) 。在這種等式與不等式的差別中，隱含著深刻的意義。

從系統三象性的基點來看，問題是這樣的：任何系統狀態(tài) ( 點 ) 上物質性、能量性、信息性不可分離地共存著，但物質 ( 質量 ) 和能量是守恒的，而信息卻 ( 信息是負熵 ) 不守恒。

在孤立的熱力學系統中熵總是增加的。但是在這個結論是在不考慮到熱力學系統內部有萬有引力的情況下得到的經驗規(guī)律。在大到星際尺度時由于萬有引力的作用系統傾向于朝向聚合的有序狀態(tài)而不再傾向于本來的均勻無序狀態(tài)。在星際尺度下由于萬有引力形成的結構：恒星能夠向外輸出負熵流。這便能解釋為何在地球上會出現生物這種有序化的結構。地球上的生物是一個開放系統，通過從環(huán)境攝取低熵物質（有序高分子）向環(huán)境釋放高熵物質（無序小分子）來維持自身處于低熵有序狀態(tài)。而地球整體的負熵流來自于植物吸收太陽的光流（負熵流）產生低熵物質。

對于不考慮萬有引力的熱力學系統，由于熵總是增加的，因而過程就出現單一的時間之矢，從而是不可逆的，這就與牛頓力學的可逆時間產生矛盾，出現牛頓、愛因斯坦與普里戈金、哈肯的分裂。現代科學的普遍解釋是熵增過程代表了系統的統計性質即巨量單元的長時間行為。在這個尺度上熵最大的構型是最為可能的狀態(tài)。

質量守恒定律和能量守恒定律是自然界的普適定律，而熵增定律則適合于熱力學孤立體系。任一質點或任一質點系都適合于質量守恒定律和能量守恒定律，但一個質點就談不上熵增，非孤立體系的熵也不一定增加。

（1）概述

①熱不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體(不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化，這是按照熱傳導的方向來表述的)。

②不可能從單一熱源取熱，把它全部變?yōu)楣Χ划a生其他任何影響(這是從能量消耗的角度說的,它說明第二類永動機是不可能實現的）。來自物理學中一條最基本的定律--熱力學第二定律。這條科學史上最令人傷心絕望的定律，冥冥中似乎早已規(guī)定了宇宙的命運。

（2）說明

①熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一。它是關于在有限空間和時間內，一切和熱運動有關的物理、化學過程具有不可逆性的經驗總結。

上述(1)中①的講法是克勞修斯(Clausius)在1850年提出的。②的講法是開爾文于1851年提出的。這些表述都是等效的。

在①的講法中，指出了在自然條件下熱量只能從高溫物體向低溫物體轉移，而不能由低溫物體自動向高溫物體轉移，也就是說在自然條件下，這個轉變過程是不可逆的。要使熱傳遞方向倒轉過來，只有靠消耗功來實現。

在②的講法中指出，自然界中任何形式的能都會很容易地變成熱，而反過來熱卻不能在不產生其他影響的條件下完全變成其他形式的能，從而說明了這種轉變在自然條件下也是不可逆的。熱機能連續(xù)不斷地將熱變?yōu)闄C械功，一定伴隨有熱量的損失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，第二定律闡明了過程進行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。 ．

②人們曾設想制造一種能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a生其他影響的機器，這種空想出來的熱機叫第二類永動機。它并不違反熱力學第一定律，但卻違反熱力學第二定律。有人曾計算過，地球表面有10億立方千米的海水，以海水作單一熱源，若把海水的溫度哪怕只降低O.25度，放出熱量，將能變成一千萬億度的電能足夠全世界使用一千年。但只用海洋做為單一熱源的熱機是違反上述第二種講法的，因此要想制造出熱效率為百分之百的熱機是絕對不可能的。

③從分子運動論的觀點看，作功是大量分子的有規(guī)則運動，而熱運動則是大量分子的無規(guī)則運動。顯然無規(guī)則運動要變?yōu)橛幸?guī)則運動的幾率極小，而有規(guī)則的運動變成無規(guī)則運動的幾率大。一個不受外界影響的孤立系統，其內部自發(fā)的過程總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進行，從此可見熱是不可能自發(fā)地變成功的。

④熱力學第二定律只能適用于由很大數目分子所構成的系統及有限范圍內的宏觀過程。而不適用于少量的微觀體系，也不能把它推廣到無限的宇宙。

3）詳細

簡而言之，第二定律認為熱量從熱的地方流到冷的地方，科學家寧愿沒有發(fā)現它。對任何物理系統，這都是顯而易見的特性，毫無神秘之處：開水變涼，冰淇淋化成糖水。要想把這些過程顛倒過來，就非得額外消耗能量不可。就最廣泛的意義而言，第二定律認為宇宙的“熵”（無序程度）與日俱增。例如，機械手表的發(fā)條總是越來越松；你可以把它上緊，但這就需要消耗一點能量；這些能量來自于你吃掉的一塊面包；做面包的麥子在生長的過程中需要吸收陽光的能量；太陽為了提供這些能量，需要消耗它的氫來進行核反應。總之宇宙中每個局部的熵減少，都須以其它地方的熵增加為代價。

在一個封閉的系統里，熵總是增大的，一直大到不能再大的程度。這時，系統內部達到一種完全均勻的熱動平衡的狀態(tài)，不會再發(fā)生任何變化，除非外界對系統提供新的能量。對宇宙來說，是不存在“外界”的，因此宇宙一旦到達熱動平衡狀態(tài)，就完全死亡。這種情景稱為“熱寂”。2100433B

熵增原理是一條與能量守恒有同等地位的物理學原理。

熵增原理是適合熱力學孤立體系的，能量守恒定律是描述自然界普遍適用的定律。 熵增定律僅適合于孤立體系，這是問題的關鍵。實際上，絕對的聯系和相對的孤立的綜合，才是事物運動的本質。雖然從處理方法上講，假定自然界存在孤立過程是可以的。但是從本質上講，把某一事物從自然界中孤立出來是帶有主觀色彩的。當系統不再人為地被孤立的時候，它就不再是只有熵增，而是既有熵增，又有熵減了。于是可以看到能量守恒定律仍然有效。