（毕业设计论文）《热力学熵的理论分析研究》.doc

1 绪论 1.1 研究背景及意义 21世纪的钟声敲响了，人们在回首18和19世纪的科学发展技术的时候，我们仍然无法解释由一个物理概念引发的各种疑难，那就是熵。熵概念的提出在人类的发展史上是一个极其重要的里程碑，熵到现在为止已经涉及到了所有的科学领域，在今天的天文学、地理学、数学、物理、化学、生物学、信息科学、社会学等领域都从不同的角度提出了熵的概念及熵的原理问题，在很大程度上用到了熵。 熵的概念有极其特殊的物理意义，因为它在科学史上第一次也是唯一一次地阐述了变化和时间方向的普适性特征，从全域的角度解释了变化方向的含义，从而使人们的世界观产生了巨变。使得人们对自然世界有了更清晰的认识，就人类如何发展和如何利用自然界资源起了相当大的作用。 熵概念的提出到现在为止已经有一个多世纪了，但是它好像不是一个已经很完善的学科，在许多方面还需要进一步的研究与完善。随着波尔兹曼熵与热力学几率关系的表述，熵和不可逆性一直被看作是一种演化过程的破坏因素，熵增加和不可逆过程意味着秩序与和谐的毁灭。例如，分子分布趋向于热力学几率最大的状态和摩擦粘滞性以及运动的能量耗散通常被看作是不可逆过程的主要特征，这种观点由波尔兹曼熵定理引发，被克劳修斯的热寂理论发挥到了极致，并由此导致了在经典理论中，将熵增加和分布几率增大看作变化过程的唯一方向，而熵和不可逆过程通常被看成是无序的量度和特征。 热力学熵的提出，在宇宙观方面也发生了前所未有的变化，如果按照热力学熵增原理，那么我们可以预测这样的一个未来，那就是这个宇宙最终会达到平衡态，那时会出现一幅“死寂”现象，即热寂，宇宙内部的物质和能量将会趋向于平均。对生物学的存在和演化过程分析却表明了一种相反的看法，因为据目前对生物学的研究，生物从低等到高等、从简单到复杂都来源于自发的创生过程，也就是熵减小的过程，那是不是由于生物体系都是开放系而受到外界的一些作用，使得生物体系向另一个特定方向变化即熵减小的方向进行呢？ 不可逆热力学的研究对象是不可逆过程，尤其是有相互干扰的，也就是说存在相互作用的过程。由于热力学第二定律是描述不可逆现象或过程自发进行方向的规律，可以说，每一种不可逆过程都能作为不可逆热力学的一种表述。正是各种不可逆过程的内在联系，使得不可逆热力学理论的应用远远超出了热功转换的范围，而成为整个自然科学中的一条基本规律，可以说不可逆热力学理论的实质就是：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的过程。由于不可逆热力学理论研究的是整个自然界中不可逆现象及过程的不可逆性，即由于不可逆引起的能量损失。因此许多的学者致力于对它的研究，并逐渐发展成一门学科。 随着科学技术的不断发进步，人类文明更显突出。但是也面临着许多现实问题，比如随着不可再生能源的消耗，能源越来越紧张；其次是污染越来越严重以及自然灾害严重等问题。这些问题本质上是与熵有关的，那么研究熵就显得很有意义了，一种说法是“熵是能量不可用程度的量度”，因此，我们将如何更好的利用有限的能量资源成了研究的主流趋；另一方面，熵概念的出现改变了人们的世界观，因为如果整个宇宙遵循熵增原理，那么宇宙将会最终处于平衡态，也就是宇宙将会呈现一片“死寂”现象，物质和能量都会趋向于平均，显然我们地球最终也将不复存在；再一方面是经典动力学与热力学在不可逆和时间方向上的描述出现裂痕，那么有没有一种可能性或者说有没有一种联系使得这两大理论在本质上具有统一性。这两大体系在本质上对时间变化是不是有统一的说法？ 1.2 熵概念引发的疑难 克劳修斯于1854年提出了熵的间接表达式，但是他并没有给出熵概念物理意义，使得人们在理解熵概念上感到困惑，由此引起人们对熵进行研究，试图以不同的方式去解释熵的概念，来自著名的玻耳兹曼的统计理论就是从分子自由运动的角度去解释熵的概念，在这理论中，玻耳兹曼认为熵与“热力学几率”的对数成正比，提出了著名的熵定理，指出熵是统计集体无序的量度。但是他的这个理论并不适用于相互作用的情形，因为等几率假设不能描述统计集体的状态，比如化学反应所导致的多相共存和液相部分共存的二元系以及凝聚过程。但是它除了非布朗运动和相互作用外的情形，其他方面是适用的。因此在一定意义上来讲，玻耳兹曼的统计理论在熵的描述上还是存在一定局限的，并没有对熵的物理概念所描述的物理意义给出定义。在本质上熵与物质分布有没有联系？ 在熵的概念提出之时，都是以平衡态去讨论的，它忽略了摩擦粘滞性等耗散因素，如果在讨论熵的概念时不忽略这些因素，那么熵的变化和时间方向又是怎样的？ 孤立系统的熵增原理得到了很多科学家的证明，但是如果一个系统不是孤立系，即它与外界有能量交换也有物质交换，那么它的熵又是如何变化的呢？比如生物体的发展，它的一个显著现象就是从低级到高级发展，即从无序到有序发展，那又该如何去解释这种现象，有没有严格的数