物理学是一门以实验为本的自然科学自然科学的发展开始.ppt

“信息” 一词有悠久的历史，早在2000年前，我国西汉杨雄的《太玄经? 应》篇中，就有“阳气极于上，阴信萌乎下”之句，这里的“信”就是消息和信息的意思。 唐诗中有“梦断美人沉信息，日穿长路倚楼台”的句子，这是中国古诗中首次出现“信息”的记载，与今天的“信息”，在内涵、解释上都有相似之处。 这是人类在认识自然变化的方向上的深入和飞跃。 例如，(1) 孤立系统自发变化的方向，从几率小向几率大过渡； (2) 孤立系统变化的方向是由有序向无序过渡； (2) 孤立系统的熵不减少。 为了度量正、负转变的数量，为了度量不可逆性，克劳修斯通过类比从“热功当量”得到启示：应该找一个“转变含量”，把不同形式的转变相互比较，从而使热力学第二定律定量化。 克劳修斯应用数学方法得到一个数学表达式： (等号对应可逆过程；不等号对应不可逆过程)它说明孤立系统的熵不减少。 2. 熵的定义：是系统的态函数 这就是著名的克劳修斯不等式。其中Q/T是一个循环中所有热变换的等价量的量度称为热温比。这就是他所要找的“转变含量”。如果用dS表示这个量，对一个微小的可逆过程就有： dS=dQ/T 而两态的熵差可表为： 即如果一个物体的绝对温度为T，加进热量为dQ, 则熵的增加为 dS=dQ/T 若ds0，则过程是可能的属自发过程。 若ds0，则过程是不可能的，因为它表示想从冷体无补偿地转移到热体。这样热力学第二定律就可表述为熵增加原理。 “在孤立系统中发生的实际过程总是使该系统的熵增加，或自发过程朝着熵增加的方向变化”。1865年，克劳修斯又把热力学第二定律表为“宇宙的能量不变，宇宙的熵趋于极大值。” 从宏观方面看，首先，系统的任一宏观态都应有确定的熵值，也就是说，熵是系统状态的单值函数。 其次，熵函数满足可加性的要求，即系统任一状态的熵S，应当是系统各部分熵Si（i=1, 2, 3, ?）的总和。即 克劳修斯称S为entropy，它来自希腊词“trope”意为“变换”，“发展”的意思，加了一个前缀en以便与能量(energy)相对应。 在克劳修斯看来，energy和entropy这两个概念有某种相似性。前者从正面量度运动转化的能力；后者从反面，即运动不能转化的一面量度运动转化的能力，亦即运动丧失转化能力的程度。 熵这个词的中文译名是我国物理学家胡刚复教授确定的，他于1923年5月在南京为德国物理学家普朗克作《热力学第二定律及熵之观念》讲学翻译时，把entropy译为“熵”。 它是热量变化与温度之比(除法中的商)，又与火的动力有关，就给商加了个“火”字旁，定名为熵。 有人建议把熵译成“能趋疲”，它既近似是entropy的音译，又说明了熵是能量趋于疲惫，不可用程度增加的量度。但是由于太繁，至今沿用的还是“熵”这个名词。 1896年，奥地利物理学家玻耳兹曼从分子运动论的观点对熵作了微观解释，认为熵是分子运动混乱程度的量度。 3. 熵的微观本质 玻耳兹曼 这不仅使人们对熵的理解豁然开朗，而且为熵概念的泛化创造了契机。 在微观上看，系统的每一宏观态都对应于一个确定的微观态数，熵应当是微观态数(用w表示)的函数s=f(w)。 在数学上，为了使S满足相加法则，?满足相乘法则，S与w的并系只可能是对数函数，依此，玻耳兹曼证明了，在系统的总能量、总分子数一定的情况下，表征系统宏观状态的熵与该宏观态对应的微观数w有如下关系： S = k ln w 其中k 是玻耳兹曼常数。这就是著名的玻耳兹曼公式。它把熵和微观状态数联系起来，它指出，一个系统的熵是该系统的可能微观态数的量度。熵越大，微 观状态数越多，分子运动越混乱，熵成为分子运动混乱程度的量度。 玻耳兹曼 由玻耳兹曼公式不难看出，孤立系统中的一切实际过程(自发过程)都是熵增加的过程，达到平衡态时，系统的熵位最大。 今天，在维也纳大学绿草如茵的校园里竖立着玻耳兹曼的塑像，在他的塑像下面，就刻着这一言简意赅的公式，它标志着玻耳兹曼一生所达到的光辉顶峰。 F = ma 和爱因斯坦质能关系式 E = mc2 物理学中能与之相媲美的只有牛顿运动定律： 从克劳修斯提出熵概念以后，150多年来，熵的应用已经远远超出了热力学、统计物理学范畴，而直接或间接地波及诸如地学、天文学、气象学、生物学、工程技术乃至人文社会科学等领域，如社会学、管理学、经济学以及信息论、控制论、概率论、数论、宇宙论乃至生命科学等各个不同领域。 熵概念不再仅仅享有物理学的专利，而成为众多学科研究的热点。 可以说，熵的提出是19世纪科学思想的一个巨大贡献，它可以与生物学中达尔文提出的“进化论”相媲美。 4-4-2 熵概念的拓展与泛化 就象牛顿力学的巨大成功，使力的概念几乎无所不在，例如：消化力、吸收力、理解力、智力、能力等等。 这些“力”不需遵循牛顿运动定律，是力的概念在社会科学中的