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物质的状态函数——熵

(2011-02-14 11:56:19)
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杂谈

                                  物质的状态函数——熵 

 

    对于近代物理学来说,时间和空间与熵是密切相关的课题。在19世纪,有一个关于可逆的热力学过程的重要发现,就是物体具有内能的同时,还具有一个突出的状态函数—熵。热力学第二定律通常表述为:在孤立系统中所发生的一切实际过程,总是使整个系统的熵值增大。亦称之为熵增加原理。

 

   像内能一样,确定熵也可以精确到任一常数。如果在温度T时,物体或系统从一个状态变化到另一状态的无限小的过程吸收的热量是ΔQ,那么,就有ΔQ/T是某一函数S的全微分,这个函数就是熵。它的表示式为

 

                               dS=ΔQ/T                      (1)

 

如果上述过程是沿可逆过程进行的,则dS就是熵的变化值。若是沿不可逆过程进行的,则系统熵值的变化为

 

                               dS>ΔQ/T                    (2)

 

上面两式中,T为热源温度,ΔQ为系统在此过程中从热源吸收的热量。由(2)式可见,如果系统是孤立的,     ΔQ=0,    则dS>0。这表示,一个孤立系统所发生的任何不可逆过程,总是使熵增加。系统的熵达到最大值,相应系统达到热平衡态。另外,由于熵值越大,表明系统内粒子热运动越无序,因此,可以把熵值看做是热力学系统无序程度的度量。

 

   1867年,克劳修斯把热力学第二定律推广到整个宇宙,提出所谓“热寂说”。认为“宇宙的能永远守恒,宇宙越是接近这个熵的极大状态,进一步变化的能力就越小,如果完全达到了这个状态,那就任何进一步的变化都不会发生了,这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态。”

 

    “热寂说”的主要错误在于,它把在局部时间与空间的科学规律无根据外推,以致把宇宙看成是一个孤立系统。恩格斯在《自然辩证法》一书中指出:“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径(指明这一途径,将是以后自然科学的课题)转变成为另一种形式,在这种运动形式中,它能够重新集结和活动起来。因此,阻碍已死的太阳重新转化为炽热的星云的主要困难便消失了。”

 

      热力学第二定律的熵增加原理表述了在一切热力学系统中,与热现象有关的过程的不可逆性的客观规律——走向死亡的法则。比如在太阳系中,不管一切可逆过程变化怎样频繁,如在它生命期内在局部时间与空间温度的降低,物质的重新凝聚,生物体的繁衍和进化……但是所有可逆过程的变化都是叠加在不可逆过程变化之上的。最终,由于热排斥运动的平衡,整个太阳系将在物质质点的无序运动中走向死亡。

 

    然而,宇宙物质又是怎样将物体之间的排斥运动转化为吸引运动的呢?反冲力作用原理指出,对在同一个环境中,宇宙中不同层次的物质微粒,它们的运动状态是根本不同的。在电场的物质交换中,高层次的“大”的旋涡体可以表现为受“排斥”的反冲“吸引”运动。相反,低层次的“小”的物质微粒却受到真空巨大阻力。因此在这里,排斥与吸引的对立不是绝对的,而是必然转化的。这种转化的过程就是熵从增大到减小的热力学过程。

 

   首先,我们来研究物质在超低温环境中所表现的种种奇异的现象具有哪些本质的特点。在热力学第三定律中,1906年能斯特总结了低温化学反应中大量实验资料后得出:当温度趋于绝对零度时,一切化学均匀系统趋于一个极限值,这个极限可以取作零,而与系统的其他状态参量,如压强、密度等无关。这个结论在当时被称为能斯特热定理。这个定理在数学上可表示为

 

                                T→0   IimS=S↓0=0                     (3)                

    

   1912年,能斯特根据他的定理推出一个原理:用任何方法都不能使系统达到绝对零度。这就是热力学第三定律。根据热力学第三定律还可以得出以下性质。

 

1)物质的热膨胀系数趋近于零,即

 

 

                              T→0   Iim(V/T)=0                        (4)

 

2)物质的定压热容与定容热容的差值趋于零,有

 

 

                              T→0    Iim(C↓p-C↓v)=0                     (5)

 

3)物质的定压热容和定容热容本身也趋近于零,即

 

 

                             T→0   IimC↓p = T→0Iim C↓v=0               (6)

 

    在绝对零度下物质的内能真的会变为最小吗?例如,在银河系的星场中,处在各大星团中央地带的“奇点”上,就有大量物质在超低温环境下的聚集。这些面积十分可观的星云,就是人们常说的“黑洞”。“黑洞”这个词是著名美国科学家约翰·维勒在1969年创造出来的。“黑洞”并不黑,而且它的面积还在不断扩大。著名的宇宙学家斯蒂芬·霍金指出了这一点。例如,我们发现在天鹅座X-1号星附近就不止包含着一个“黑洞”。

 

    在超低温环境中,物质的搅动已经很小了,于是,在“黑洞”弥漫星云的中心逐渐聚集起了包含大量重物质的“胚核”。以后,在适当的激发条件下,就会使原始弥漫星云再一次发生左和右、新生命的大规模的物质热旋涡运动。在银河系的星场中,这种超新星爆发的事件是随时都在发生着的,有时它们是一个星,有时是左和右旋涡星的“双胞胎”,有时甚至是一大群新星从星云中产生出来。苏联天文学家阿姆巴楚米杨认为:不但恒星的形成过程在银河系中现在还在继续,而且它们还在成批地从不稳定的“星协”中产生出来,并加入到银河系的星场之中。苏联天文学家费森可夫也指出:早期恒星是从旋转速度很快的,而且质量比现在恒星质量大很多的旋涡运动星云中产生出来,在新星形成过程中还伴随着大量物质的抛射……

冷的星云突然转变为炽热状态,它的熵减小了。当然,从超新星爆发即刻起,它的熵又开始慢慢增大。

 

    在原始星云左和右的旋涡运动中,重的物质凝聚在中心形成固态的星核,围绕着星核周围的是炽热的岩浆,碱性岩浆与酸性岩浆的对流,使星核在反冲力作用下开始向左或右转动。轻物质围绕在逐渐冷却下来的固体星壳周围,形成弥漫层大气。在物质的聚合反应中,早期恒星开始向左或右角动量占优势的自旋方向转动(与星核自转方向相反),反向旋转角动量逐渐受到阻尼……中央旋涡形成了恒星中心天体(如太阳),外围小旋涡凝聚成行星或卫星。总自旋角动量不为零的单向自旋的气体分子或液体分子,电场平面(E平面)沿星球重力场方向排列,构成了星球所特有的磁场。在重力和星球磁场共同作用下,星球的固体外壳也开始了单向自转。

  

    图1表示,地磁场并不是起源于地球内部,而是起源于地球外部空间。在地球的重力场中,从总体上看,绝大部分气体或液态分子的磁场H矢量都指向地理北极方向,构成了地球的基本磁场。图中表明,在地球大气下层地磁场强度H矢量指向地理北极,成为地磁场内辐射带。高层大气以外H矢量指向地理南极,构成外辐射带。因此,从外部空间看,地磁场是一个磁偶极子,在地表上看它又像是一个表象的磁单极子。磁力线受地球引力和地球自转离心力作用而发生偏斜,并从东、西两侧在地球的两极地区汇合而互相排斥,使磁力线伸入地表和伸向外层空间。

 

 

2011年02月06日
 

                                            

 

                                        

 

 

  

                                      图1 地磁场结构示意

  从本源上说,地磁场是地球“呼吸”与生命的象征。地磁场的这种结构特征是造成水平磁针在低纬度和中纬度指向的根本原因,即N极指向地理北极。而在地球的高纬极地区,地磁场H矢量的指向是十分混乱的,甚至经常发生磁针S极指向地理北极的现象。地磁场的这种结构特点,是造成全球气候变化的主要原因,也是极光和臭氧空洞产生的直接原因。

 

    在重力作用下,地表层中所有具有单向自旋角动量的分子或原子,按重力方向向“右”做偏斜运动,从而推动了地球的固体外壳的单向转动。不管在局部地区空气中的分子运动怎样复杂,但是从总体上看,它们具有占绝对优势的“右”旋角动量。因此,是空气的流动和海水的潮汐所形成的大气环流与海洋环流,制约着地球外壳的自转速度。

 

    在地球中心有一个固态的地心核,岩浆的对流使它沿与地壳自转的反方向缓慢转动。地心核的反向转动不但进一步控制了地球表面外壳的自转速度保持恒定,而且也是地球在几十亿年间发生内动力地质活动的原动力。由于地心核的南北偏心运动,使地球南北半球海陆分布不对称。考察起来,地球的固体外壳确实像一个外套,长期以来做着极为复杂的自转漂移。在北极的地层中能够发现遥远的始前期热带植物化石就说明了这一点。

 

    从大的时间和空间尺度上看,地球表层和地心核仍在做极为缓慢的旋涡运动,同时,地球的外动力地质活动又与其内动力地质活动息息相关。在地球表层下降区,沉积层不断加厚,吸引地心核做偏心运动,使下降区又开始缓慢上升……因此,地球表面永远处于交替收缩和膨胀状态。

 

    当太阳系连同和它在一起的恒星在银河系做加速运动的地质年代,大批流星侵入太阳系,进入地球,使地球的公转周期和自转周期明显加快。地球开始收缩,散失质量增多,火山喷发、地震接踵而来……这时地球绕太阳的公转轨道半径开始收缩,地球温度升高,是地球引力势能相对增大的阶段。

 

    当太阳系在银河系中处于负加速运动的地质年代,侵入太阳系的流星物质减少了,使地球自转周期与公转周期减慢了,于是地球又开始膨胀形成了全球性的造山运动。由于地球公转轨道半径增大使地表温度下降,随之而来的是全球性大冰期的到来……这时地球是处于引力势能相对减小阶段。

 

    从上所述千丝万缕的必然联系中,我们看到地球只是作为一个具有生命的粒子而存在的,它从物质的旋涡中产生出来,在宇宙物质永恒变化的循环中,除了矛盾变化和运动变化所依据的普遍规律之外,再也没有什么永久性的东西了……

 

    再看看在太阳表面核反应超高温条件下所发生的物理现象。太阳表面的平均温度在6000 K左右,计算表明,每秒钟内太阳由于辐射而失去的质量等于

 

                                  Δm=ΔE/C^2≈4.4×10^6 ( t)

 

    尽管这一数字从地球的角度来看显得十分巨大,但是,与太阳总质量(2×10^27 t)相比,这一损失仍然是十分微小的。随着恒星的核反应逐渐减弱,恒星系统开始逐渐失去自我调节的能力,它的星核内部液态岩浆逐渐冷却、凝固。这时它又经历了一段漫长的晚年。当星核内部岩浆全部涸凝后,星体在自身引力作用下将越来越快地自转并分散解体

   虽然花了很多文字来说明太阳系演化的过程,但是我们还不能说明整个宇宙的物质状态函数—熵。因为宇宙是一个开放系统,它在时间与空间上是无限的,人类对宇宙的认识不能用孤立系统的物质状态函数—熵—来描述。写到这里,我又想起了斯蒂芬·霍金在他所著的《时间简史》中所讲的一个笑话:一位著名的科学家[有人说是英国哲学家罗素(1872—1970)]曾作过一次关于天文学的讲演。他讲解了地球如何环绕太阳运行,而太阳又如何绕银河系中心运行。演讲一结束,一位坐在后排的小老太婆站起来说:“你刚才讲的都是胡说八道。世界实际上是驮在一只乌龟背上的一块平板。”那位科学家傲慢地一笑,然后回答说:“那乌龟站在什么上面呢?”“你倒挺机灵的,年青人,挺机灵的,”老太婆说,“可一路下去全是乌龟!”

  

    不知道我的看法是否高明。老太婆的乌龟支撑平面大地的理论之所以不能成为一个好的科学理论,是因为谁都知道,人们会从世界的边缘掉下去。当我们采用某种“宇宙图像”时,老太婆的无穷乌龟级数是一种理论,而我们的理论虽然比前者强一些,但是还缺乏证据。

 

   相对来说,笔者更对地球当前的状态感到忧虑,因为从物理学统一场论的观点来看,地球在近十几年中“熵”迅速增大,使地球气温变暖、地磁场遭到破坏、北极冰川大量溶化、海平面上升、海洋和大气环流骚乱、灾难频繁发生……这一切都是人类过度消耗能源而引起的后果。世界上没有绝对清洁的能源(包括核能、电能、太阳能、风能等),因为能源利用过程的造成熵变化不仅仅是由环境污染、大气中二氧化碳排放过量引起的。如果说理性世界是物质世界自己进化的产物,那么,人类的精神文明可能又是物质世界用来自我否定的精灵。只有清醒地认识到这一点,我们才有可能更加谦虚地面对未来……

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