什么是熵?什么是熵定律---熵和熵定律之一

 

对于大多数人来说,熵,是一个比较陌生的概念。即便是物理专业出生的人,大部分也无法准确表达出这个概念的实质意义。并不是因为理解这个物理概念需要多么高深的智力,而是因为,这个概念本身,因其所涵盖的范围之宽、之广,使得人们不易用三言两语就表达出它的实质。每当科学家思考热力学第二定律时,他们常常所面对的,不是该定律本身,而是:热力学第二定律的应用范围到底该有多广?

熵定律,在物理学中,被称为热力学第二定律。熵,是对某一封闭系统中,由有效能量转化而成的无效能量的量度,也可以说,熵是作为度量一个热力学系统无序状态的量度单位。熵定律的内容是:“在所有过程中,熵的增加是不可逆的”。

“熵的增加不可逆”说明,在一个封闭系统中,能量只能由有效能量转化为无效能量,系统的整体状态只能由有序变为无序。

“在局部范围内,通过一定的手段,或许可以建立起一定的秩序,但这建立起来的秩序,是以给周围环境带来更多的无序为代价的。”例如,若长时间不去整理自己的卧室,房间内便会越加凌乱(无序的增加),你可以花一至两个小时,将房间整理干净,使之有序,但是,为此付出的代价,是给房间以外的周围环境带去无序,如垃圾、清洁过程中产生的污水、以及劳动过程中比平时多呼出的二氧化碳气体和肌体产生的热量。这些副产品,是为了在局部建立秩序,而给周围环境带去的无序。熵定律告诉我们,这些产生的副产品带来的无序,大于在局部建立的有序。因为,熵(无序)的增加是不可逆的。

熵的增加不可逆,那么,它的增加有限度吗?会有一个终点吗?如果将目光放大,把整个宇宙视为封闭的热力学系统的话,那么,宇宙中的熵会一直增加到“热寂”状态为止,即整个宇宙中只存在不可利用的无效能量,无序状态达到最大化。

对于人类来说,我们所处的地球,若在时间上以地质年代来计算,则可以把地球当作一个开放系统,不用担心无序增加的问题。只要太阳继续存在下去,地球就会与其进行能量的交换。但是,若在时间上以人类的纪年来计算,则只能把地球视为封闭系统,或半封闭系统(开放的程度很小)。因为,目前就人类每日使用的有效能量(以化石燃料为主)来说,远远大于太阳每日对地球输入的有效能量(太阳光)。化石燃料的形成需上亿年,但化石燃料的使用,最乐观的估计,不会超过500年。因此,从这个角度来考虑,在人类纪年的时间范围内,地球可视为一个封闭系统。

在物理学、生物学、环境科学当中,无效的能量即可视为污染。污染不仅仅是针对环境的。

熵定律告诉我们,能量只能由有效的状态(能量可以利用)变为无效的状态(能量无法被再利用)。因此,悲观的问题很自然会产生:化石燃料耗尽时,也就是无效能量达到最大化,污染与无序的状态达到最大化之时。那时的人类,将面临一个怎样的生存环境与地球?

posted on 2009-05-05 22:35 刘晓峰 阅读(722) 评论(0)  编辑  收藏


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该文被作者在 2009-05-05 22:42 编辑过
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