简述熵增加原理。.docx

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概念

1854年，一位叫克劳修斯的德国人，首次提出了熵增定律的概念。他认为在一个封闭的系统内，热量总是从高温物体流向低温物体，从有序走向无序，如果没有外界向这个系统输入能量的话，那么熵增的过程是不可逆的，最终会达到熵的最大状态，系统陷入混沌无序。

因此，熵增定律被认为是有史以来最令人绝望的物理定律，因为我们的宇宙也是一个封闭的系统，而封闭系统总是会趋向于熵增，最终慢慢达到熵的最大值，出现物理学上的热寂，变得像沙漠一样。

熵增定律是克劳修斯提出的热力学定律

宏观方法论

熵概念和熵增定律的建立,是在如何提高热机效率的研究推动下逐步完成的。首先是卡诺（S.Carnot)注意和系统研究了热的传递方向和热功(机械能)转换间的差异问题，并提出了一个普遍原理即卡诺原理,只不过卡诺的研究和论证是建立在错误的热质说的基础上的。之后,克劳修斯(R.Clausius)对热功转换问题进行了深入研究，他不仅重新论证和发展了卡诺思想中的精髓部分,而且对自然界中运动转化的方向性进行了更普遍的考察研究，于1850年发现了热力学第二定律,现在人们将它表述为“热不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化”。1851年,开尔文(LordKelvin)又独立得出了第二定律的另外一种表述形式，不久，他还证明了两种形式的等价性。

热力学第二定律,首先以科学的面貌,揭示了物理世界中的不可逆过程,它说明,物理学终于在自己同人们所熟悉的有着过去、现在、未来严格区分的世界之间架起了桥梁。其实，对于不可逆性人们本是极为熟悉的，人们很早就能根据一些日常经验判定变化的方向性，,如草木的枯荣，由此人们早就体察到时间的流逝：过去已不可改变,未来是一片空白。所以,单就对时间箭头的规定性而言,人们早就有了深切的感受和清醒的认识，故有“凡人必死”的命题，它不仅客观地表述了人生的不可逆性，而且从某种意义上讲，它同热力学第二定律的宏观表述一样，都是以某种特殊的不可逆形式，表达了自然界中发展的不可逆性，即两者在逻辑上是等价的。

首先，在古代尚没有形成“科学”的概念,“凡人必死”的意义也与今天不同，它并不是科学研究的结果,更谈不上科学的定量表达，实际上仅仅是作为一种经验常识被人们接受的,因此也无法回答进一步的问题。而与此相反，第二定律却是经典科学成长到一定阶段的产物，从其来源讲,它是从卡诺到克劳修斯直至玻尔兹曼(L.Boltzmann)这样一些卓越的科学家长期研究工作的结晶。

其次，“凡人必死”虽然定性地表达了自然界的一种不可逆性,但却没有达到定量化的水平。第二定律则不同,在提出第二定律的定性表述之后，克劳修斯一直致力于它的定量化问题研究。通过对自然界各种运动转变关系的分析，他首先引入了“正转变”与“负转变”的概念,进而提出了“不可逆转变”或“不可逆性”的概念，从而明确了对自然变化的方向性的认识，之后又通过一个十分简单的例子即在理想气体的情况下得到了熵的定量化形式：即ΔS=ΔQ/T，或S=S0+∫dQ/T。

所谓熵，其意义在克劳修斯看来是非常明确的。它代表了“物体的转变含量”，作为一个与积分路径无关的态函数,谈论一个系统给定状态的熵的绝对值虽无多大意义，但它从一个状态到另一个状态的变化，却可以用来判断这种转变的正或负即其方向性，以及转变量的大小。后来,他又从数学上严格证明了“熵增原理”，从而完成了第二定律的数学表示，亦称宏观表述。熵概念的提出及熵增原理的发现，不仅揭示出自然过程的不可逆性，而且也使人们对自然过程中能量转化的认识更深入了一步。如果能的概念从正面表征着运动转化的能力，那么熵就从反面表征着运动转化已经完成的程度，亦即运动丧失转化能力的程度，是能量的“退化”或“贬值”。正是由于与能(energy)的这种相似性，克劳修斯才把他发现的转变当量S命名为熵(entropy)。可见，第二定律及其量化形式即熵增定律不仅具有确切的定义，而且在经验上是可操作、可检验的，完全符合经典科学的基本规范，因此无可非议地属于科学的组成部分。特别是它的提出，因改变了以前科学对自然过程的方向性和时间的看法而更加引人注目。

但无论如何，从方法论的角度来看,熵与熵增定律的宏观表述是有局限性的。客观地讲当克劳修斯开始系统阐述第二定律的时候，他所依据的仅仅是热传导的方向性，因此他所揭示的也仅仅是热力学层次上的以及和热力学有关的一类不可逆现象的规律。而我们的研究表明，熵是有层次性的，或者说，不同的运动形式对应于不同层次的不可逆性，不同层次的不可逆机制则可能由完全不同的规律所支配，这就意味着，熵的宏观定义ΔS=ΔQ/T确切地讲仅适用于和热力学相关的情况，在将其推广到对其他层次的不可逆过程的描述时，一般会受到限制，或者不处于支配地位；而不同层次的熵应有自己独立