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熵的本质和统一  

2011-03-17 06:47:13|  分类: 量子力学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者天津滨海新区李新民

一 1引言

     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,玻尔兹曼赋予了熵的统计解释。到了1929年,西拉德又将熵与信息联系起来,给出了熵的新含义。目前,熵不仅广泛出现在自然科学和工程技术各个领域,甚至在社会科学,人文科学和经济领域也常会遇到熵的踪迹。由于熵的概念比较抽象隐晦,它既广泛的为人们所应用,又广泛地被人们滥用。熵到现在还是科学没有弄明白的概念,熵和它的本质是什么,熵由什么决定的等微观机制还没有弄明白,只给出了宏观统计解释,认为概率法制是制约熵的本质。其实热力学和统计物理学是在宏观框架下完成的,它并没有深入微光世界的实质,是宏观统计的表现。现代科学也无法给出熵本质的答案,因为熵是用热量和热力学温度来定义和度量的,而热量的定义就是一个含糊和矛盾的概念,温度又是由热量来定义的,所以造成熵概念的不清和混乱,甚至产生困惑,例如宇宙热寂就困惑科学界到现在,无法给出实质性的解答;生命赖以负熵生存,这个负熵是什么,无人知道。热力学和统计物理学在没有弄清热量的基础上,为了解决和动力学的矛盾,将自身的研究范围延伸到不可逆过程,不但没有深入到问题的本质,反而使理论趋向复杂,耗散结构就是其代表。物理学家普遍认为,热力学的现象和规律可以回溯到动力学规律加以统一,然而如何从时间反演对称的微观动力学得出宏观的不可逆性,以及在宏观领域内热力学是否全面有效还是一个科学尚待澄清和解决的问题。

二 热和热量的本质

       热力学中最核心的概念是‘温度’和‘热量’,在科学史上长期以来它们是混淆不清的,‘但是一经辨别清楚,就使得科学得到飞速发展’。的确,这两个概念都是相当深刻的,现代物理学对它们的定义存在错误,没有揭示热的本质,从而对温度的理解不全面。将热定义为分子平均动能的表现,现代科学已将其作为科学的基本概念写入教科书中。但是,工程技术中出现的很多问题用运动热学说是无法解释的。如摩擦生热,激光,温室效应,化学反应,原子能,核能以及物质的热辐射等,并不是分子的热运动的结果,它们发出的热大部分是以光和热辐射的形式运动的。光和热辐射不是物质,更不是分子;光和热辐射是一种不是物质的能量。对热概念的正确认识关系科学基础的大事,我们必须从众多的现象中找出本质。人们对热无法深入了解和对力是什么,熵是什么,空间是什么,质量是什么等问题的认识一样,是基于对同一个问题的错误认识--对能量的认识的错误。光和热辐射就是能量,能量不是物质,能量是客观世界的另一个存在。能量占有空间,能量有运动,动量和惯性;但能量不存在质量。宇宙几乎有无限的质量,物质又不停的释放光和热辐射等能量,如果将它们看成物质,岂不是物质在不停的产生物质,宇宙中的物质将不停的增长下去,宇宙不需要能量就可以永远的膨胀下去,这肯定是无法让人们接受的,也是科学不能允许的。宇宙空间是由动能量,静能量和基态能量组成的(见作者的文章)。动能量是有温度,有频率的能量。动能量空间是随时间自由膨胀的,能量密度不断下降,能量空间体积不断增大,温度和频率逐渐降低,波长逐渐被膨胀长,最后变成静能量,动能量转换成静能量。静能量又不断转化为基态能量,使静能量空间和基态能量空间的能量密度保持不变。能量密度高,温度就高,能量波的频率也高;能量密度低温度就低,能量波的频率也低。温度是由能量密度的大小决定的,不是由分子的热运动决定的。能量的运动决定分子的运动,没有能量物质将停止运动。运动不是物质固有的,物质是吸收空间能量才运到的。星体内部为什么都是液体或气体的,这是由于物质分子,原子不停的释放能量,使物质间的能量密度不断的增加,温度不断的增高的结果。地球的自转,太阳的发光,星球的爆炸,大陆的版块运动,地震,地磁,地光,温室效应,火山,洋流等都是物质释放热辐射等能量造成的。地壳和地幔的相对运动,就是由地幔释放的高压能量作用地壳的结果。热力学第二定律就是描写动能量运动规律的运动,它的时间之矢就是动能量空间的膨胀方向,也是熵增大的方向。能量密度是产生热的根源这一认识是不易被人们接受的,因为它和唯物主义的世界是物质认识观相对立,对热正确的认识必须从能量是不同于物质的客观存在的认识转变开始。

三 熵的本质

       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

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。

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,a2a代表不同的能量密度,T1, T2T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)                                                                           (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V1V2和能量密度的变

A1A2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)                                                                 (7)                             

与此同时,温度分别为TT1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。

四 熵的统一

    从以上得知,熵

                      S=NEV       (11)

对于一定体积V的系统,能量密度A高,压强P就大,压强P=F力÷S面积,在正方体中,将右边分子和分母同乘以一个边长得,压强P=力F×边长L÷体积V。力F×边长L=能量E。这样得;压强P=能量E÷体积V,既压强就是能量密度a,即a=P.根据理想气体的物态方程

                                 PV=ΥRT         (12)

              或               aV=ΥRT           (13)

                                 S = aV/T=YR   (14)

        或            =NEV =YR      (15)

其中Y是摩尔数,R为普适气体常量,系统的熵为(15)式和(10)式具有同样的数学形式。不同的是,(15)式是系统体积不变熵值,(10)式是系统体积膨胀熵的值。根据S=NE知道:系统能量(电磁波)一定时,系统的体积愈大,熵愈大,能量密度降低,热量降低,能量贬值。玻耳兹曼熵

    热力学概率Ω定义为系统任一宏观态对应的微观态数,即概率分布数。热力学概率Ω是非常大的一个数,为了便于处理,1877年玻耳兹曼用下面关系式定义的熵S和热力学概率Ω联系起来,来表示系统无序性的大

                                                      S =  k lnΩ      (16)

是宏观系统熵值,单位是:焦耳/开 。系统体积越大,微观态数就越多,系统就越混乱越无序,能量密度越低;温度越低,能量越贬值,玻耳兹曼熵越大。由此看出玻耳兹曼熵的微观意义:

是系统内分子热运动无序性的一种量度。

    

 

 

 

 

 


 

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