[科普中國(guó)]-等熵過程

含義

等熵過程又叫可逆絕熱過程。所謂絕熱過程乃是氣體在和外界沒有熱量交換的條件下進(jìn)行的熱力過程。當(dāng)過程進(jìn)行的很快時(shí)，工質(zhì)與外界還來不及與外界交換熱量或是交換熱量很少，則可近似地看作絕熱過程。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)內(nèi)空氣的壓縮過程，燃?xì)庠跍u輪內(nèi)和尾噴管內(nèi)進(jìn)行的膨脹過程，都可近似地看作絕熱過程。1

在等熵過程中，不僅氣體與外界交換的總熱量為零，而且在過程進(jìn)行的每一微元段與外界交換熱量也是零，所以可逆絕熱過程是dp=0和q=0。

等熵過程就是可逆絕熱過程，在等熵過程中，氣體的溫度、壓力、比熱容都發(fā)生變化，它們之間的變化規(guī)律比較復(fù)雜。等熵過程中的熵值不變，所以該過程在T—S圖上是一根與S坐標(biāo)軸相垂直的直線。如下圖所示。

分類等熵過程分為可逆干絕熱過程和可逆濕絕熱過程。

一、可逆干絕熱過程

對(duì)于定質(zhì)量的氣塊，它的狀態(tài)是由氣壓（p）、溫度（T）、和任意一個(gè)濕度參數(shù)（如比濕q）共同決定，而氣塊在垂直升降運(yùn)動(dòng)過程中其狀態(tài)不斷發(fā)生變化，因此必須獲得氣塊狀態(tài)變量隨高度變化規(guī)律。

在垂直升降運(yùn)動(dòng)過程中，氣塊中所含的水汽始終未達(dá)到飽和，沒有發(fā)生相變的絕熱過程，稱為干絕熱過程。這里的干表示未飽和氣塊在絕熱過程中沒有發(fā)生水相的變化，并非指不含有水汽。由于滿足垂直運(yùn)動(dòng)的三個(gè)基本假設(shè)，即絕熱條件、準(zhǔn)靜態(tài)條件、靜力平衡條件，因此他又是可逆過程，常稱為可逆干絕熱過程。2

二、可逆濕絕熱過程

氣塊上升時(shí)到等熵凝結(jié)高度以上，水汽開始凝結(jié)并釋放出潛熱，如果飽和氣塊繼續(xù)上升且凝結(jié)物全部保留在氣塊內(nèi)，并與外界無熱量交換；當(dāng)氣塊下沉增溫濕，這些凝結(jié)物又蒸發(fā)，使氣塊始終維持飽和狀態(tài)，所耗的潛熱與原來釋放的潛熱相等，沿逆過程后仍能回到原來的狀態(tài)，這樣的過程稱為可逆濕絕熱過程，又稱為濕絕熱過程，這里的“濕”表示在飽和的絕熱氣塊內(nèi)發(fā)生水相變化。

可逆濕絕熱過程是一個(gè)等熵過程，雖然在可逆式絕熱過程中發(fā)生了相變，但水汽和凝結(jié)出來的液態(tài)水總質(zhì)量（mv+mt）不變，干空氣質(zhì)量md也不變。因此可以利用熵函數(shù)來推導(dǎo)濕絕熱方程。由于可逆過程熵不變，即dS=0,即可得到可逆濕絕熱方程。

等熵可逆的絕熱變化，體系的熵值不變，是等熵變化。在工程上作為與真實(shí)絕熱過程比較用的標(biāo)準(zhǔn)工況。例如噴管可視作絕熱過程，而等熵過程將代表其最佳的工況。等熵過程常用來分析透平和壓縮機(jī)的最大輸出功和最小輸入功。發(fā)電廠設(shè)計(jì)中多采用這種方式求取某一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

熵增定律僅適合于孤立體系，這是問題的關(guān)鍵。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(zhì)上講，把某一事物從自然界中孤立出來，就使理論帶上了一定的主觀色彩。實(shí)際上，絕對(duì)的聯(lián)系和相對(duì)的孤立的綜合，才是事物運(yùn)動(dòng)的本來面目。那么，當(dāng)系統(tǒng)不再人為地被孤立的時(shí)候，它就不再是只有熵增，而是既有熵增，又有熵減了。如果說熵增是混亂度增加，而熵減是有序度增加的話，那么，真正的過程必然是混亂與有序的綜合過程。因而，系統(tǒng)就必然出現(xiàn)熵增和熵減諸種情況。3

現(xiàn)在，一個(gè)中心問題出現(xiàn)了，在系統(tǒng)狀態(tài) ( 點(diǎn) ) 上的熵增和熵減過程中，是否存在一個(gè)不動(dòng)點(diǎn) , 使熵增和熵減達(dá)到平衡 ( △ S=0) 。在孤立體系中，平衡狀態(tài)也是熵增為零。當(dāng)進(jìn)行研究的時(shí)候，一旦熵增 ( 減 ) 等于零，我們似乎就覺得比較滿意了。熵增 ( 減 ) 為零，熵為常數(shù)。常數(shù)還有什么研究的必要呢 ? 放在公式中就行了。然而，問題并不簡(jiǎn)單。信息熵等于常數(shù)，并不是其它量等于常數(shù)。物質(zhì)、能量的出入使事物的質(zhì)能變化不是一個(gè)常數(shù)。如果我們過去往往在物質(zhì)、能量一定的前提下來討論熵增加的話，那么，我們是否忽視了一個(gè)問題，即在熵恒定的情況下來討論物質(zhì)、能量的變化呢 ? 更進(jìn)一步說，如果自然界存在這一類過程，即熵恒定的過程，再結(jié)合到質(zhì)、能守恒，那么，我們就有了這樣一組十分滿意的公式：

m （t）=Cm

u（t）=Cu

s（t）=Cs

其中 t 是時(shí)間， m 、 u 、 s 是物質(zhì)量、能量、信息 ( 負(fù)熵 ) ， Cm 、 Cu 、 Cs 是常數(shù)。

在系統(tǒng)狀態(tài) ( 點(diǎn) ) 的變化過程中，要在每時(shí)每刻都保持信息 ( 負(fù)熵 ) 為恒量，是一個(gè)太強(qiáng)的條件。而許多過程可以表現(xiàn)為在某些時(shí)間位點(diǎn)上信息 ( 負(fù)熵 ) 為恒量。這時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)熵振蕩過程，當(dāng)熵振蕩的時(shí)段極短時(shí)，它趨近于等熵過程。

示例在自然界和人類社會(huì)中，等熵過程是很多的，僅舉幾個(gè)例子做一簡(jiǎn)略討論。

關(guān)于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樵诘退偾闆r下，任何物體的質(zhì)量是不變的。因此，它只有一種狀態(tài)，故質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)質(zhì)量等熵過程，這是何以能把任何一個(gè)物體視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的原因。在高速狀態(tài)下，物體有多種質(zhì)量狀態(tài)，這時(shí)，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)就不一定是等熵過程。

關(guān)于信息變換與傳遞。信息變換與傳遞是一個(gè)典型的等熵( 不是指熱熵 ) 過程。申農(nóng)說，信息論研究的課題是如何“精確地或近似地在一點(diǎn)重現(xiàn)另一點(diǎn)新選擇的符號(hào)”，這實(shí)際上就是試圖在等熵條件下來研究信息傳遞。另外 , 結(jié)構(gòu)相似性、過程相似性、結(jié)構(gòu)與功能、事物的同規(guī)律、集合的映射、實(shí)物與圖形、記憶、語言與對(duì)象、生命常態(tài)、生物節(jié)律等，都包含著等熵過程。4