熵概念的历史演变..doc

2009年第4期 物理通报 物理学史与教育 熵概念的历史演变 陈 颖 (河北大学管理学院 河北保定071002) 摘要：考察了熵概念的历史演变，包括源于物理学理论的熵函数，跨越物理学的熵的衍生概念，以及步入应用领域的熵的相关用语． 关键词：熵 历史演变 随着经济的发展和信息社会的到来，像资信， 1．1 卡诺定理和热力学第二定律 信息熵，负熵流，低熵资源，高熵废料，熵增过程等与 1924年卡诺(N．L．S．Carnot)在其论文《关于热 热力学熵函数相关的用语被越来越广泛和频繁地使 动力的几点设想》中，对他所研究的卡诺循环，即由 用．为了更清楚地了解这些用语的含义，以便更准确 两个等温过程和两个绝热过程组成的理想气体的可 地使用，这里拟从熵与其相关概念的历史演变角度 逆循环进行了论述，并且引出了卡诺定理：在相同的 来理清它们的关系． 高温热源乃和低温热源疋之间工作的可逆热机的 1 源于物理学理论的熵函数 效率呀均相等，而且只与两个热源的温度相关，即  在物理理论的热力学和统计力学中，熵这个概念是由热力学第二定律引出的，而热力学第二定律的提出是受到了卡诺定理的启示，因此，本文先由卡诺定理谈起． 2．3 实验分析及与理论值比较本实验所用的迈克尔耳孙干涉仪粗调(一圈分 100小格)顺时针旋转一圈，动镜远离干涉屏l cm； 微调(一圈分100小格)顺时针旋转一圈，粗调动一小格；则微调动一圈，动镜远离干涉屏 l×10—3 X 10～：10—5 m 由d=k·iA，得 五=挈 则理论上，微调顺时针旋转一圈应冒出干涉环 Ak：堡型 实验时所用氦氖激光器波长为632．8 am，则让微调 顺时针旋转一Ak=圈应器冒出~31干涉环．数61 与步骤(5)比较，理论值与实验值稳合较好． 川一案 但是，若是不可逆热机，则其效率不可能高于可逆热机的效率． 尽管卡诺用热质学说作为卡诺定理的理论基 由(4)、(5)两实验数据可得N2=2Nl，故改进得以验证． 3 结论 本文所提出的通过改进迈克耳孙干涉仪光路来提高其测量精度的方法切实可行．提高其精度一倍的验证实验结果与理论吻合很好，且有以下几点希望与正做相近研究的同行探讨． (1)此处所介绍的改进迈克耳孙干涉仪，不但可使其在测量微小厚度时的测量精度提高，且同样适用于图2所示光路2，中测量浓度变化、折射率变化．但需要所测材料厚度均匀． (2)当按类似光路(图2)改进使精度提高两倍 或更高倍数时，对M1’的制作工艺及帆的位置调整 将随提高精度倍数增加而提高．一般实验室难以实 现．  --·——49·--——  万方数据 2009年第4期 物理通报 物理学史与教育 础，造成一些模糊不请，但是，由于他的确揭示了热 S=．j}InW 循环过程的某些重要特征，所以对后来的研究者有 称为玻尔兹曼公式．其中k为玻尔兹曼常量． 所启示． J|}：1．38×10—23 J／K 在卡诺定理的基础上，1850年克劳修斯(R．J． 玻尔兹曼公式说明，熵作为热力学几率的对数 E．Clausius)在其论文《关于热动力》，1851年开尔文 函数，像热力学几率一样，也能描述系统中微观粒子 (krd Kelvin)勋爵(即汤姆孙W．1IlomsoIr笔者) 随机不确定性的无序混乱状态，即熵是系统无序程 在其论文《热动力理论》中分别提出热力学第二定 度的测度指标．玻尔兹曼公式还说明，在孤立系统的 律，指出热现象的不可逆性： 自发过程中，随着时间的推移，系统的无序程度持续 克氏说法是，不可能把热由低温物体传向高温 增加，即在这种混乱的扩散过程中系统的熵随热力 物体，而不产生其他影响． 学几率持续增加，直至达到微观粒子均匀分布，无法 开氏说法是，不可能由单一热源获得能量，使之 再变化的平衡态．此时，熵随热力学几率达到最大 完全变成有用功，而不产生其他影响． 值．均匀状态比最初的非均匀状态多的多，致使系统 1．2熵函数和熵增定原理 再也无法回到最初的非平衡态了．这就是熵增原理 以热力学第二定律为基础，1865年克劳修斯发 所描述的不可逆过程．因此玻尔兹曼公式通过微观 表其论文《关于热唯动说基本公式的种种方便应用 机制也深化了熵的涵义． 的形式》，引出熵增原理．热力学第二定律所描述的 2 跨越物理学的熵的衍生概念 不可逆过程，不管是热传导，还是功热转换，或者是 扩散过程都可以用熵增原理加以概括：即绝热系统 2．1 信息熵和信息论 中发生的不可逆过程只能朝着熵增加的方向进行． 1948年申农(c．E．Shannon)发表《通信的数