熵增原理簡史(一)

熵的概念

熵(S)是指一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)在的混亂程度，簡稱混亂度。一個(gè)系統(tǒng)的熵越大，其混亂度就越大。

熵的研究史

熵最初由德國物理學(xué)家克勞修斯提出，用于描述一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)量。熱力學(xué)熵是宏觀量，是構(gòu)成系統(tǒng)的大量微觀粒子集體表現(xiàn)出來的性質(zhì)，是這個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，其變化量只與始末狀態(tài)有關(guān)，與過程無關(guān)。歷史上熵從三個(gè)角度闡述。

第一，宏觀熵，即克勞修斯熵，用以說明一個(gè)系統(tǒng)混亂度與熱量的關(guān)系。著名的克勞休斯不等式ds≥δQ/T，表示一個(gè)系統(tǒng)熵的變化大于等于熱傳導(dǎo)過程中熱量的變化除以溫度的商值，但這僅僅是數(shù)值上的關(guān)系。

第二，微觀熵，即玻爾茲曼熵，是用微觀世界統(tǒng)計(jì)物理學(xué)對系統(tǒng)熵的解釋。玻爾茲曼指出：系統(tǒng)的宏觀物理性質(zhì)，是微觀狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)平均值，一個(gè)系統(tǒng)的熵和微觀狀態(tài)數(shù)目滿足的關(guān)系為S=Kв㏑Ω，這個(gè)式子被人們稱作“玻爾茲曼公式”，式中Kв是玻爾茲曼常數(shù)，Ω為系統(tǒng)宏觀狀態(tài)中所包含的微觀狀態(tài)總數(shù)。由此可以看作一個(gè)系統(tǒng)的混亂程度，是由這個(gè)系統(tǒng)微觀的平均統(tǒng)計(jì)數(shù)來衡量，其微觀狀態(tài)分布越均勻，宏觀就越混亂，即熵越大。

第三，信息熵，即香農(nóng)熵。香農(nóng)熵是事件狀態(tài)不確定程度的度量，一個(gè)事件的不確定性越大，把它搞清楚所需要的信息量也就越大，即香農(nóng)熵也就越大。對一個(gè)系統(tǒng)來說，其系統(tǒng)越混亂，香農(nóng)熵就越高；否則系統(tǒng)越是有序，香農(nóng)熵就越低。所以香農(nóng)熵也可以說是系統(tǒng)無序化程度的一個(gè)度量。

對一個(gè)給定的事件，如果已知的信息量增大則意味著事態(tài)的可能性減少。舉個(gè)例子加以說明：某一天要下雨，若告訴你是在2021年內(nèi)，則有365種可能；若告訴你是在2021年指定的某一個(gè)周內(nèi)，則有7種可能。所以已知的信息量越大，其事件的可能性越小，即已知的信息熵增大則其事態(tài)的混亂度減少。

一個(gè)系統(tǒng)的總信息熵包括已知的信息熵和未知的信息熵?？傂畔㈧卦酱?，則系統(tǒng)越混亂；知道的信息熵越大，系統(tǒng)的可能性越少。

熵增原理

熵增原理，是指孤立熱力學(xué)系統(tǒng)的熵不減少，即其熵總是增大或者不變，用一個(gè)式子表示為△ S ≥ 0。意思是一個(gè)孤立的熱力學(xué)系統(tǒng)，如果是可逆過程，則其熵不變；如果是不可逆過程，則其熵增加。當(dāng)然如果這個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)不是孤立的，那么它的熵也可能減少，但是此熵的減少一定以外部環(huán)境熵的增加為代價(jià)。熵增原理是一個(gè)孤立系統(tǒng)必須遵守的客觀規(guī)律，這也是熱力學(xué)第二定律內(nèi)在的本質(zhì)體現(xiàn)。

宇宙熵增原理

一、熱力學(xué)第二定律。

熱力學(xué)第二定律有幾種表達(dá)方式，但它們都揭示了大量微觀粒子參與的宏觀過程，是具有特定的方向性。這讓人們認(rèn)識(shí)到，自然界中涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。其中最本質(zhì)的表述是熵增原理，即一個(gè)孤立熱力學(xué)系統(tǒng)的熵不減少，用一個(gè)式子表示為△ S ≥ 0。為什么會(huì)這樣呢？今天我給大家說一說自己的一點(diǎn)想法：

熱力學(xué)第二定律常見的表達(dá)方式有三種。第一種，開爾文-普朗克式：不可能從單一熱源吸取熱量，并將這熱量完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而不產(chǎn)生其他影響。從此可見功可以完全轉(zhuǎn)化成熱量，但熱量是不可能自發(fā)地完全變成功。因?yàn)樽龉κ谴罅糠肿拥挠幸?guī)則運(yùn)動(dòng)，而熱運(yùn)動(dòng)則是大量分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)；無規(guī)則運(yùn)動(dòng)變成有規(guī)則運(yùn)動(dòng)的幾率非常小，而有規(guī)則運(yùn)動(dòng)變成無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的幾率卻很大。所以一個(gè)不受外界影響的孤立系統(tǒng)，其內(nèi)部自發(fā)的變化過程總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進(jìn)行著。故一個(gè)孤立系統(tǒng)內(nèi)部，其功可以完全轉(zhuǎn)化成熱，但熱不能全部轉(zhuǎn)化成功。

第二種，克勞修斯式：熱量可以自發(fā)地從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體，但不可能自發(fā)地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體。我們知道溫度是系統(tǒng)微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)值的宏觀體現(xiàn)，高溫物體的微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)劇烈，這樣高溫物體與低溫物體接觸后，它就把能量傳遞給低溫物體，使自己微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)變得越來越弱，同時(shí)使低溫物體的微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)變得越來越劇烈，最后直至二者微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度趨于一致性，即二者處于同一溫度的熱平衡狀態(tài)。

第三種，熵增原理式：隨著時(shí)間進(jìn)行，一個(gè)孤立體系中的熵不會(huì)減小。前面說，宏觀熵是微觀粒子體現(xiàn)出來的平均統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)看，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)遵循物理統(tǒng)計(jì)規(guī)律，其運(yùn)動(dòng)具有不確定性、永恒性和無規(guī)則性等性質(zhì)。在一個(gè)孤立系統(tǒng)內(nèi)，每個(gè)粒子到達(dá)的地方趨于等幾率性，粒子之間的性能趨于同一性，系統(tǒng)每個(gè)地方的狀態(tài)趨于等同性，這樣系統(tǒng)才更趨于混亂，系統(tǒng)的宏觀熵才更大。

熱力學(xué)第二定律的三種表達(dá)，抽去它們表達(dá)的具體內(nèi)容后，都共同體現(xiàn)了一個(gè)原理：熵增原理，即一個(gè)孤立系統(tǒng)的發(fā)展過程具有特定的方向性。這個(gè)特定的方向體現(xiàn)為，在一個(gè)孤立系統(tǒng)內(nèi)，一方面每一個(gè)物質(zhì)都希望自己有盡可能的活動(dòng)自由；另一方面每一個(gè)物質(zhì)都希望別的物質(zhì)和它具有相同的性能；第三，系統(tǒng)的每一個(gè)地方都希望別的地方能和它具有共同性。簡而言之：熵增原理就是一個(gè)孤立系統(tǒng)朝著均一同化性方向發(fā)展，使其更混亂。能子源版權(quán)，違之必究(包括圖片在內(nèi))