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熵的本质揭秘  

2010-01-04 16:00:09|  分类: 科学探索 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  2009-12-22 8:58:35   |    转载     |     固定链接   |    评论(0)   |   浏览(9)      

        我们可以知道,熵概念在物理学中的引入显得有些与众不同,它不是对体系的状态特征直接描述的一个结果,而是通过不同途径导致某一状态的过程变量的比较来定义,这可能是物理学理论对状态函数的一种绝无仅有的定义方式,疑问也由此产生:克劳修斯在提出熵概念时,仅仅描述了通过不同途径导致某一状态的过程的熵所表征状态的变化特点,而没有说明它是什么,这一疑问显然至今仍未阐明,在其后的一百五十余年中,对熵概念物理意义的解释曾经一再引起争议,但是并没有取得新的进展,"什么是熵,在科学史上没有什么问题曾被如此频繁地讨论过,"人们似乎越来越倾向于这样一种观点:这个令人烦恼的概念有着一种奇特的解释看起来也合情合理,只有少数科学家仍然试图对其穷根究底,试图对这一热力学理论之谜做出完备解释,但是,迄今为止,这种努力仍然面临困境,在涉及熵概念时,物理学家们本身(仍然)存在相当的混乱.创立了耗散结构理论的著名科学家----普利高津(Ilya Prigogine)在《熵是什么?》一文中写道:"熵是一个很奇怪的概念,不可能给出一个完备的描述。热力学第二定律在它建立了一百五十余年之后,看起来仍然像是一个发展规划,极其不像是一个通常含义下已经完善的理论,因为对于熵的产生来说,除了给出符号之外,严格地说就什么也没有讲,甚至于连不等式的有效范围也没有确定,"在熵概念诞生已经一百五十余年后的今天,怎么会是这样? 

   熵在宏观意义上也可作为能量在空间分布的均匀度的量度,能量的空间分布越集中,则熵值越小;越均匀,熵值越大。能量都是在非均匀分布倾向于均匀分布的过程中转化做功的,即若要使能量作功,必须在一定的空间中造成能量密度的差异,使能量从高密度区流向低密度区;能量分布越不均匀,有序度越高,则熵就越小,能量转化为功的效率越高;若能量分布已完全均匀,熵达到最大,这时不可能再发生宏观流,也就不能获得功。要揭示熵的本质,必须知道空间是由什么组成的和热力学定律的本质。

   恩格斯事在《自然辩证法》中说:"放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径(指明这一途径,将是以后自然科学的课题)转变为另一种运动形式,在这种运动形式中,它能够重新集结和活动起来。" 我们知道,物质时刻不停的释放热辐射,但物质本身的质量并没有减少,同时科学认为热辐射也是物质的一种形态,太空中这么多的物质释放出大量的热辐射到宇宙中,宇宙的背景温度并没有增加,永远保持在2.7k恒定不变的温度上,那么放射到宇宙中的热都去到那里了?寻找热的归宿,查明热的去向就是找到了熵的形成与衰亡,就是看到了宇宙的尽头。因为热(辐射)是不断膨胀的,最后消失在天空中,天空中的热一定是转换为一种没有膨胀,没有频率和温度的能量了。这样将热(辐射)看成是物质的一种存在形态的现代物理学认识观是错误的,应将热(辐射)定义为能量的一种,并将能量定义为不同于物质的第二个客观存在这个违背唯物主义哲学观的物理概念。有了这样的认识飞跃,我们就可以揭开宇宙的神秘面纱。

      物质不停地释放能量(热辐射),那么它就应该吸收某种能转化为热的能量,这种能量应该是热辐射能量的基态能量,宇宙中的热辐射等能量最终都将转化为这种基态能量;并且,物质吸收基态能量的量与物质释放的能量转化为基态能量的量相等,这样才能保证宇宙微波背景辐射的温度永远保持在2.7K恒定不变的温度上。有了这些我们就可以描绘宇宙的面貌,知道熵的本质和宇宙是否能"热寂"。

    在描绘宇宙面貌之前,我们必须转变对光,电磁波和电磁场等具有膨胀和热性质"物质"的看法,将他们定义为能量的一种。这样宇宙空间就由3种能量组成:

1由物质释放出来的能量,如光,热辐射和电磁波等,并定义它们为动能量。

2由宇宙微波背景辐射组成的能量定义为静能量。

3热辐射,光和电磁波等消失后变成的能量定义为基态能量。

       物质吸收基态能量产生运动,物质运动释放动能量。能量是客观存在的,它是占有一定的空间的,有能量存在它就占有一定的空间,有空间它就充满了能量,不存在没有能量的空间。空间是能量存在的形式,能量是产生空间的必然,可以将能量看成是能量空间。宇宙空间是由动能量空间,静能量空间和基态能量空间组成的。不同的能量空间有不同的能量密度和体积,能量空间的能量密度和体积是随时间变化的。动能量空间是随时间自由膨胀的,它的能量密度不断降低,体积不断增大;当能量密度降到静能量密度时,动能量空间的体积增大到一个最大值时消失到静能量空间中。能量空间密度的减小和能量空间体积的增大决定着你了空间熵的增大,能量空间体积的消失也决定着能量空间熵的消失。动能量空间,静能量空间和基态能量空间是动态平衡的,能量空间的体积是不变的,也就是3个能量空间的大小是有限的;不管是静能量空间,还是基态能量空间无限都会造成宇宙微波背景辐射的温度变化,使之不是2.7K的温度。静能量空间和基态能量空间的体积是一样大的,它们是重叠在一个空间之中,它们的大小就是宇宙的大小。热力学是揭示动能量运动性质的学科,热力学第二定律的方向,就是能量的膨胀方向,也就是热力学的时间之矢。宇宙"热寂"只考虑动能量的运动,没有考虑动能量会转化为宇宙微波背景辐射能量。物质不断的释放动能量,动能量不断的转化为静能量,静能量又不断地转化为基态能量,而基态能量又不断地被物质吸收,使得宇宙中的3种能量基本保持不变。

一 热力学定律的本质  

1、热力学第零定律的本质:在同一状态下,A系统的能量密度,B系统的能量密度,分别与能量密度相等,则A系统的能量密度和B系统的能量密度就相等。

2、热力学第一定律的本质:在任一过程中,系统吸收的能量其动能量空间就膨胀,并对外界能量空间或物体作功。令A是系统存在的能量,B是从外界吸收后的能量,令a1是系统吸收外界能量前的能量密度,a2是系统吸收外界能量后的能量密度。V是吸收外界能量前系统NK的体积,V+△V是系统吸收外界能量膨胀后,NK的体积,则有

   A=a1v B=a2(v+△v) (1)                                                                                                    (1)

则内能的增量

      △U=(a2-a1)V+a2△V                                                                                                       (2)

  式                                                                                                                                                                                                                        式式中第一项是外界对系统所做的功,第二项是外界传给系统的能量(热量)。

3、热力学第二定律的本质:在一定状态下,高能量密度的动能量空间要向低能量密度的能量空间膨胀,传播,使系统能量空间的能量密度达到均匀为止,即,使系统能量空间的能量密度趋于一个恒定值。

4、热力学第三定律的本质:由于基态能量具有物质不可屏蔽性,在一个封闭的冷却系统中,组成系统的物质不断吸收基态能量空间的能量,同时它又不断将基态能量转化为动能量释放到系统中,因此,我们无法做到一个完全没有动能量的系统,只要系统中存在动能量,它就存在一定的温度,这就是绝对零度不可以达到的原因。

二、熵的本质

      熵是一个极其重要的物理量,但却又以其难懂,而闻名于世。克劳修斯于1865年首先引入它,用来定量地阐明热力学第二定律。后来,波耳兹曼赋予了熵的统计解释,西拉德给出了熵与信息的关系。熵的本质是什么,它由什么因素决定的,这也是现代物理学遇到的难提之一。

 

动能量在传播过程中使动能量空间的体积膨胀,其能量密度下降,温度降低,对于能量一定时,则有

      a1/a2=T1/T2                或       a1/T1=a2/T2                                                                         (3)

则有

                    NE=a/T=常数                                                   (4)

式中,a1,a2和a代表不同的能量密度,T1, T2和T代表不同的温度

对于一定体积动能量空间中的能量有

               E=av                                                                                                  (5)

式中V是动能量空间的体积,E是动能量空间的总能量,a是动能量空间的能量密度。对于能量E一定的动能量空间,体积的变化V1至V2和能量密度的变化A1至A2则有下列关系于

           a1/a2=v1/v2                                                                                                                  (6)

  通过以上关系和能量空间的性质,我们可以揭示熵的本质。

假设某系统的动能量空间,在温度为T时可以输出热量(能量)为Q,周围媒质的温度为T。因而可以构成效率为1-(T0/T)的卡诺热机,产生机械功Q[1-(T0/T], 而此热量(能量)中的不可用部分为Q(T0/T)。假定先将这一热量(能量)传给温度为T'  (T>T'>TO)的另一个物体。此时该热量(能量)的可用部分将减少为Q[1-(T0/T],而不可用部分增加为Q(T0/T1)。能量不可用部分的增量为

         Q(1/T'-1/T) T0                                                                                            (7)

与此同时,温度分别为T与T1的这两个物体所构成的系统NK熵的增量

             △S=Q(1/T'-1/T)                                                                                        (8)

热量(能量)不可用部分的增加等于 T0△S,由(3)至(6)式则(7)式可以化为

     (  a2V2/T'-a1V1/T)T0=NE(V2-V1)T0                                         

                                      = NET0△V  

                                =a0△V                                                                                (9)

则(8)式可化为

                                    △S=NE△V                                                                                            (10)

其中a0 是周围媒质动能量密度。(9)式表明能量的贬值是由于系统动能量密度降低趋于环境能量密度不能作功造成的。(10)式表明熵是由系统DNK体积膨胀决定的,体积膨胀的方向代表熵增大的方向。而体积增大的方向,是能量密度降低的方向。也就是:系统的能量密度下降的方向,是系统体积膨胀的方向能量贬值的方向,能量做功的方向和熵增大的方向。这就是孤立系统,熵只增不减的原因。对于任一系统,系统的能量密度总是从高能量密度区低能量密度区膨胀扩散,趋于系统能量密度均匀方向发展。熵增大是将集中的能量分散了,将能量密度的体积增大了,熵是正能量传播规律的一种表现。在宇宙中,在原子、分子和生命体中,其系统中的原子不停的吸收基态能量。因此,在这些系统中,正熵流和负熵流超于平衡。所以说,将熵和热力学定律应用到以上系统是完全错误的,热力学是动能量运动的规律;而宇宙是动能量,静能量,基态能量和物质整体的运动规律,折磨了科学界和哲学界100多年的"宇宙热寂"说,就是将热力第二定律错用到宇宙空间造成的。

 

※※※※※※

 

标签:传热学   基态   能量密度   体积   宇宙   


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