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熵定律

(2008-10-01 23:47:31)
标签:

自然科学

分类: 定量分析

【熵定律是自然界的最高定律】

  熵定律是科学定律之最,这是爱因斯坦的观点。我们知道能源材料信息一样,是物质世界的三个基本要素之一,而在物理定律中,能量守恒定律是 最重要的定律,它表明了各种形式的能量在相互转换时,总是不生不灭保持平衡的。在等势面上,熵增原理反映了非热能与热能之间的转换具有方向性,即非热能转 变为热能效率可以100%,而热能转变成非热能时效率则小于100%(转换效率与温差成正比),这种规律制约着自然界能源的演变方向,对人类生产、生活影 响巨大;在重力场中,热流方向由体系的势焓(势能+焓)差决定,即热量自动地从高势焓区传导至低势焓区,当出现高势焓区低温和低势焓区高温时,热量自动地 从低温区传导至高温区,且不需付出其它代价,即绝对熵减过程。显然熵所描述的能量转化规律比能量守恒定律更重要,通俗地讲:熵定律是"老板",决定着企业 的发展方向,而能量守恒定律是"出纳",负责收支平衡,所以说熵定律是自然界的最高定律。

【熵与宇宙模型】

  目前流行的大爆炸理论仍然是崇尚热寂的,只不过换个说法而已,该理论认为:对于一个静态的体系(或宇宙中 的局部空间)熵仍趋于最大值,但膨胀的(看着气体膨胀)宇宙会拉大温差,宇宙根本不能达到平衡态,所以宇宙不会出现热寂。举个通俗的例子,一池塘清水,有 污水不断向池里流入,水质面临恶化,如果外界又不断地向池中加入清水,且加入清水的量远多于污水,毫无疑问这池水永远是清水(设池塘容积可增加)。熵增原 理是在忽略引力作用时得到的规律,而在研究宇宙熵变时引力就不能忽视,所以笔者认为大爆炸理论对熵的解释是错误的,不论宇宙是膨胀、收缩或静态,宇宙都不 会进入热寂,因为星体引力具有减熵的能力,而高温星体向太空辐射光和热,这是熵增过程,这两种相反的热流将永恒的对峙着,实现熵和热的大环流,所以说,即 使是有限的宇空也永远不会出现热寂。仍用上述例子,一池塘清水,有污水不断向池里流入,但池塘有自净功能,有能力处理流入的污中,所以水质不会恶化。

【分熵的特点】

   熵概念源于卡诺热机循环效率的研究,是以热温商的形式而问世的,当计算某体系发生状态变化所引起的熵变总离不开两点,一是可逆过程;二是热量的得失,故 总熵概念摆脱不了热温商这个原始外衣。当用状态数来认识熵的本质时,我们通过研究发现,理想气体体系的总微观状态数受宏观的体积、温度参数的控制,进而得 到体系的总熵等于体积熵与温度熵之和(见有关文章),用分熵概念考察体系的熵变化,不必设计什么可逆路径,概念直观、计算方便(已被部分专家认可),因而 有利于教和学。

【熵计算公式介绍】

  1、克劳修斯首次从宏观角度提出熵概念,其计算公式为:S=Q/T ,(计算熵差时,式中应为△Q)
  2、波尔兹曼又从微观角度提出熵概念,公式为:S=klnΩ,Ω是微观状态数,通常又把S当着描述混乱成度的量。
  3、笔者针对Ω不易理解、使用不便的现状,研究认为Ω与理想气体体系的宏观参量成正比, 即:Ω(T)=(T/εT)3/2 , Ω(V)=V/εV,得到理想气体的体积熵为SV=klnΩv=klnV,温度熵为ST=klnΩT=(3/2)klnT ,计算任意过程的熵差公式为△S=(3/2)kln(T'/T)+kln(V'/V),这微观与宏观关系式及分熵公式,具有易于理解、使用方便的特点,有 利于教和学,可称为第三代熵公式。
  上述三代熵公式,使用的物理量从形式上看具有"直观→抽象→直观"的特点,我们认为这不是概念游戏,是对熵概念认识的一次飞跃。

【熵流是什么】

  熵流是普里戈津在研究热力学开放系统时首次提出的概念(普里戈津是比利时科学家,因对热力学理论有所发展,获得1977年诺贝尔化学奖), 普氏的熵流概念是指系统与外界交换的物质流及能量流。我们认为这个定义不太精辟,这应从熵的本质来认识它,不错物质流一定是熵的载体,而能量流则不一定, 能量可分热能和非热能[如电能、机械能、光能(不是热辐射)],当某绝热系统与外界交换非热能(发生可逆变化)时,如通电导线(超导材料)经过绝热系统 内,对体系内熵没有影响,准确地说能量流中只有热能流(含热辐射)能引人熵流(对非绝热系统)。对于实际情形,非热能作用于系统发生的多是不可逆过程,会 有热效应产生,这时系统出现熵增加,这只能叫(有原因的)熵产生,而不能叫熵流的流入,因能量流不等于熵流,所以不论什么形式的非热能流都不能叫熵流,更 不能笼统地把能量流称为熵流。

【熵减应分为绝对熵减和相对熵减两类】

   人们过去认识的熵减,其机理是流出系统的熵流大于系统内的熵产生(对开放系统),习惯上称流入系统的负熵流大于系统内熵产生,从系统内外一并考察总熵变 化仍大于零,服从熵增原理,换句话说,此处熵减是以彼处熵增为代价的,故这类熵减应叫相对熵减。而引力在引力方向能拉开温差,把低温区的热量自动地转移到 高温区,经计算表明这是熵减!这并不伴随引力的削弱(引力是物质的固有的性质),也不以任何地方或形式的熵增为代价,所以说这种熵减是绝对熵减,是不服从 熵增原理的。

【电冰箱不能实现熵的减少】

  克劳修斯把熵增原理表述为:"热量不能自动地从低温物体传向高温物体",这给人们一个错觉,外界做功使热量从低温物体传到高温物体,或者说使等温体变成不等温体,就意味着发生熵减。这种认识是偏面的,以绝热房间内放一工作的电冰箱为例,冰箱内 温度变低,冰箱外的房间内温度变高,许多人把这外界做功而拉开温差的现象叫做熵减,并解释将发电厂一并考虑在内,总体上仍是熵增。这种看法是错误的,仅就 室内的冰箱内外来说,如果考虑了电流的热效应,这个室内的总熵变化只增不减(不信可计算一下)。外界做功不能使绝热系统内的熵减少,不论是电能、机械能等 非热能做功(通常不能避免热效应)都不能使绝热系统内的熵减少,所以说,我们认为熵增原理准确的表述应为:"在等势面上,绝热系统内的熵永不减少"。

【熵减和永动机的关系】

   许多人都认为发现了熵减就等于说能制造出第二类永动机,这种看法是一种误解,解释如下:在宇宙中只有星体引力能导致熵减,当星体外部势焓大于内部势焓 时, 星体具有向引力中心云集热量的功能,实现了热量自动地从低温区转移到高温区,对于温度比较高的星体,又以辐射的形式向外释放能量,故星体具有永动机的性质,但星体不能人工制造,更无法利用这一原理造出一台机器,从单一热源(大气或水中)吸热获得机械能,所以说存在熵减并不能制造出永动机。假设人工能造出第二类永动机,那一定是熵减过程,熵减和永动机就是这种特殊的关系。

【地热特点及来源】

  地下热能储量巨大,相当于全球煤炭储 量的1.7亿倍。有人估算,以当今全世界耗能总量计算,即使全部使用地热能,4100万年后才能使地球内部的温度下降 1℃。地热的特点呈内高外低分布,我们认为(另有论文)它遵循"可压缩流体的静力学方程",即势焓(势能+焓)平衡规律,当地内势焓低于地表势焓时,重力 具有云集地表低温热能向地心转移的机制,地热是永恒存在的能源。关于地热来源问题,目前人们尚无准确定论,主要有两种解释:
  1.地球内部的放射性元素蜕变放热,即原子能;
  2.地球在形成初期带来的热量。我们对上述解释的看法是,如果是第一种,有三种情况:
  ①地热温度呈外低内高按一定梯度的分布,那热源必在地心,这不就是原子弹吗?后果不堪设想;
  ②矿物分布通常遵循"物以类聚"的原则,如果地球内部的放射性元素分布(热源)与地热分布一致?显然这不合情理;
  ③地下温泉岩浆(石 头)应该裹挟着很强的放射性物质,实际上没有,所以说地热的主要来源不可能是放射性元素蜕变。如果是第二种,一是体积收缩挤压产生;二是本来是高温体,冷 却至今形成热量梯度分布,这种可能性是有的。我们认为也有第三种可能,即地球形成时温度是均匀的而又不是十分高温的物质,从45亿年前至今,重力将地表低 温区热能向地心转移,使热量形成梯度分布(中心约5000℃),逐步实现势焓平衡。

【人类应如何面对能源贬值的问题】

  第二次工业革命以来,人类在疯狂地开采使用矿物能源(尤其是发达国家),使矿物能源日趋减少,总有一天要枯竭待尽,怎么办呢?人们通常认为有如下对策:从小的方面讲,我们要节约能源,减少不必要的能源浪费,尽量使用可再生能源;从大的方面看,要研究使用长久不衰的能源,如太阳能(还 有几十亿年的寿命),原子能尤其是核聚变能(以海水为原料,足够人类使用几十亿年),采取上述综合措施,人类就能被动地逾越能源贬值的灾难,而人为主动改 变能源贬值的趋势是做不到的。只有引力具有回天之术,实现能源的进化,故地热是取之不尽、用之不竭的,是绝对意义上的可再生能源。重力云集地表热能的能力 与地下物质的分子量成正比,如山区是地热的富集区,人类应重视开发利用。

【热寂论的敌论--"热环论"】

  恩格斯曾多次指出:"放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径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"。我们通过长期对熵理论的研究,提出了"热环论"(又可称"热动论"),完成了恩格斯的遗愿。
  可压缩流体的静力学方程,即势焓(势能+焓)平衡规律(另文)指出,在引力场中,相同质量的流 质其拥有的势焓值均为同一常数,这就意味着当流质势能大时其焓值小(温度低),相反,当势能小时其焓值大(温度高),如果星体中心的势焓值比外围低时,引 力将迫使外围低温区热量向中心高温区传导转移,以趋于势焓平衡。又根据热辐射定律可知,热辐射仅由温度决定,不受引力影响(另文证明)。上述两类因素是热 循环的动力,即热量在引力的帮助下从低温3k传导至高温亿万 k(太空中或星体内部都存在着温度梯度这个客观事实),再以辐射的方式逸散到太空中去,就这样循环往复以至无穷,这就"热环论"描述的现象。以白矮星为 例,白矮星内部无热源为何能发光呢?,原来星体引力能从太空云集低温热能。任何星体与太空间都存在着相反的热循环转移过程,即使是具有内部热源的星体也叠加着上述热循环过程,这是宇宙生机勃勃、永不死寂的真谛!

  【英文名称】
  Law of Entropy

本文来自:百科百度

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